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EP1831163B1 - Method for producing pyrrolidones from succinates from fermentation broths - Google Patents

Method for producing pyrrolidones from succinates from fermentation broths Download PDF

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Publication number
EP1831163B1
EP1831163B1 EP05821674A EP05821674A EP1831163B1 EP 1831163 B1 EP1831163 B1 EP 1831163B1 EP 05821674 A EP05821674 A EP 05821674A EP 05821674 A EP05821674 A EP 05821674A EP 1831163 B1 EP1831163 B1 EP 1831163B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
compound
process according
ungefähr
pressure
fermentation broth
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Not-in-force
Application number
EP05821674A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP1831163A2 (en
Inventor
Wolfgang Fischer
Daniela Klein
Andreas KÜNKEL
Rolf Pinkos
Edzard Scholten
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
BASF SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
Publication of EP1831163A2 publication Critical patent/EP1831163A2/en
Application granted granted Critical
Publication of EP1831163B1 publication Critical patent/EP1831163B1/en
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • C07D207/02Heterocyclic compounds containing five-membered rings not condensed with other rings, with one nitrogen atom as the only ring hetero atom with only hydrogen or carbon atoms directly attached to the ring nitrogen atom
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    • C07D207/408Radicals containing only hydrogen and carbon atoms attached to ring carbon atoms
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    • Y02P20/50Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/582Recycling of unreacted starting or intermediate materials

Definitions

  • Succinic acid and its derivatives are important precursors for a number of economically interesting products and are used, for example, in the production of alkyd and polyester resins, solvents or a range of specialty chemicals, see. Zeikus, Appl. Microbiol. Biotechnol, 1999, 545-552 , Pyrrolidones, which are also sometimes called pyrrolidinones, are prepared essentially petrochemically from the reaction of gamma-butyrolactone with ammonia (2-pyrrolidone) or with methylamine (N-methylpyrrolidone) or generally with alkylamine (N-alkylpyrrolidone).
  • N-alkylpyrrolidones such as NMP, for example, in the electrical industry as a solvent use
  • 2-pyrrolidone is an important solvent and extractant and serves mainly as an intermediate for the preparation of N-vinylpyrrolidone, which in turn is an important monomer.
  • succinic acid which is usually produced petrochemically from maleic anhydride or butanediol, but in recent years, research has been conducted in the field of fermentative production, so that an industrial fermentative production of succinic acid as an intermediate for C4 Chemicals seems possible in the near future; Miller, Varadarajan in Biotechnol. Prog. 1999,15,845-854 , Purification methods for the isolation of succinic acid or succinic acid salts from fermentation broths are numerous described. Succinic acid is obtained, for example, from fermentation broths by means of filtration, crystallization, extraction, electrodialysis, chromatography. US 5,034,105 . US 4,670,155 .
  • the purified succinic acid and its salts or their esters are generally converted into N-alkyl succinimide ( US 4,841,069 . US 4,814,464 ) or directly to 2-pyrrolidone ( US 3,080,377 . US 3,198,808 . US 3,681,387 . US 4,263,175 ) or NMP ( US 3,448,118 . US 5,157,127 . US 5,434,273 . WO02 / 102772 ) implemented.
  • pyrrolidones are prepared from succinimide.
  • Succinimide itself can after JP 04282361 from succinic acid and ammonia in the presence of phopsphite.
  • SU 1317890 describes the production of succinimide from succinic acid and urea, while according to Zh. Obshch. Khim .; 20, 1950, 1145, 1149, 1191, 1195 succinimide can be prepared together with succinic acid monoamide from succinic acid in the presence of pyridine and sulfamide.
  • DT 2313386 describes the chemical conversion of succinic acid in the presence of ammonia and triammonium phosphate to succinimide.
  • WO 02/102772 describes a process for the preparation of N-methylpyrrolidones in which diammonium succinate is hydrogenated to form a mixture of 2-pyrrolidone and N-methylpyrrolidone.
  • the present invention was therefore based on the problem of providing a process which provides cost-effective production of succinimide and possible secondary products, in particular of substituted and unsubstituted pyrrolidones from contaminated succinate-containing solutions, ie solutions containing many minor components, such as fermentation broths.
  • the present invention relates to a process for the preparation of the intermediate succinimide or a composition containing succinimide, and in which further pyrrolidones according to the invention can be prepared.
  • the method according to the invention is characterized by the embodiments described herein.
  • step (c) water is partly or completely distilled off, which is formed in the reaction or is contained in the broth.
  • Ammonia is formed only when R 1 and R 2 are ammonium.
  • other volatile substances, especially substances lighter than succinimide are distilled off with, such.
  • ethanol which may be produced as a byproduct during fermentation.
  • the cations are essentially cations which are usually present in fermentation broths or their preparations.
  • the cation is a monovalent cation, for example one of the following cations: Na + and / or K +.
  • the cation is a divalent cation, for example Mg 2+ , and / or Ca 2+ .
  • the cation is a divalent cation, for example Mg 2+ , and / or Ca 2+ and / or other cations, for example of trace elements.
  • the compound II is obtained in a composition which facilitates the immediate further reaction, e.g. in a hydrogenation which allows compound II and optionally other components of the composition without requiring one or more further purification steps.
  • a composition which facilitates the immediate further reaction, e.g. in a hydrogenation which allows compound II and optionally other components of the composition without requiring one or more further purification steps.
  • This is surprising especially considering the starting material "fermentation broth”.
  • the process according to the invention also derivatives such.
  • monoamide of the succinic acid which are contained in the mixture obtained, reacted to pyrrolidones, so that surprisingly comes to a uniform reaction of the succinimide, despite the many minor components that contains the fermentation broth prior to the reaction according to the inventive method.
  • the optionally formed ammonia can be recovered in the form of aqueous ammonium hydroxide solution and used again in the fermentation.
  • the inventive method the risk of catalyst poisoning can be reduced by minor components of the fermentation broth and the purification by distillation of the final products are facilitated because most by-products are separated from the fermentation in the distillation of the compound II or the composition containing the compound II.
  • compound II and / or the above derivatives are reacted without further isolation or intermediate purification, e.g. as described below, especially in a hydrogenation.
  • the resulting ammonia is recovered and preferably reused in the fermentation, for example, as an aqueous ammonium hydroxide solution.
  • R 3 may be H + or another cation, preferably a cation which is a medium component, for example a cation as enumerated above or NH 4 + ; and or
  • the respective proportion of compound II and / or IIa and / or IIb can be changed and determined in the method according to the invention.
  • the residence time is in the upper range of the temperature interval longer and the resulting water and optionally the resulting ammonia is substantially completely distilled off, for example at least 50%, preferably to 60%, 70%, 80%, 90%, 95, 97%, 99% or more. Water is preferably completely distilled off.
  • the invention relates to a process according to the invention in which a composition comprising succinimide and / or succinic acid monoamide and / or succinic acid diamide is prepared.
  • the parameters are selected such that a melt containing compound II is obtained.
  • the temperature is above the melting point of the melt.
  • the melting point of succinimide is between about 120 ° C to 130 ° C, the melting point of a succinimide-containing melt is depending on the degree of impurity below the melting point of succinimide.
  • the melt is maintained at a temperature greater than 120 ° C, for example greater than 126 ° C.
  • the distillation of water and / or ammonia and optionally other volatile substances takes place substantially parallel to the reaction.
  • the distillation of succinimide after distilling water and ammonia.
  • the invention relates to a composition containing succinimide and further at least succinic monoamide or at least succinic monoamide and succinic diamide.
  • a mixture which contains succinimide, succinic acid, succinic acid monoamide and / or succinic diamide in different amounts is produced in the process according to the invention.
  • the remaining fermentation by-products are preferably substantially separated.
  • a product is obtained which can, surprisingly, provide succinimide, succinic acid amide or succinic acid diamide in a form which has a Reaction allowed without further work-up.
  • the reaction of the distillate from step (d) or the further processing of the distillate from step (d) takes place without further workup.
  • the distillate from step (d) may be converted to pyrrolidones without further workup, or may be back-split to succinic acid or its salts or succinic acid derivatives.
  • step (d) the product of the distillation from step (d) containing compound II, IIa and / or IIb can be further reacted directly by reduction to compound IIIa.
  • the distillate of step (d) is converted into 2-pyrrolidone in high yields by the further process steps of the invention described herein.
  • the compound II for example succinimide or a composition containing succinimide, succinic acid, succinic acid monoamide and / or diamide, can be further worked up from the melt, e.g. be further purified.
  • optionally substituted or unsubstituted pyrrolidones in particular 2-pyrrolidone, can advantageously be prepared by the process according to the invention.
  • the reduction is hydrogenation as described below.
  • the 2-pyrrolidone prepared according to the invention contains no NMP.
  • alkylating agents for example the alkylating agents mentioned below, may be added to a hydrogenation.
  • suitable alkylating agents for example the alkylating agents mentioned below, may be added to a hydrogenation.
  • a straight or branched chain C1 to C20 alcohol or alkylamine is used, preferably a straight or branched chain C1 to C4 alcohol, e.g. Methanol, ethanol, propanol or butanol, or a corresponding amine, e.g. Methylamine, ethylamine, butylamine or propylamine.
  • alkylation is carried out in the presence of methanol or ethanol.
  • the 2-pyrrolidone produced in the process of the invention is converted to substituted pyrrolidones, for example, hydroxyethylpyrrolidone or N-methylpyrrolidone (NMP), or mixtures thereof.
  • substituted pyrrolidones for example, hydroxyethylpyrrolidone or N-methylpyrrolidone (NMP), or mixtures thereof.
  • NMP N-methylpyrrolidone
  • the choice of process parameters the 2-pyrrolidone to a defined Mixture of 2-pyrrolidone and substituted pyrrolidones, in particular NMP, or almost completely converted to substituted pyrrolidones.
  • the degree of conversion and thus the distribution of the products in the product mixture can be determined.
  • compound II is reacted in the presence of the alkylating agent, for example an amine such as, inter alia, alkylamine or hydroxyalkylamine or alkyldiamine.
  • the alkylating agent for example an amine such as, inter alia, alkylamine or hydroxyalkylamine or alkyldiamine.
  • the fermentation broth is prepared by anaerobic or aerobic fermentation or a combination of aerobic and anaerobic fermentation, preferably by the fermentation of carbon sources, such as oils or alcohols, in particular glycerol, ethanol, methanol, L-sorbose or D- Sorbitol, or sugars, such as C6 or C5 sugars, in particular glucose, sucrose, arabinose, xylose or CO 2 , or H 2 , in pure form or as a molasses or mixtures of said substances or their precursors, such as.
  • carbon sources such as oils or alcohols, in particular glycerol, ethanol, methanol, L-sorbose or D- Sorbitol
  • sugars such as C6 or C5 sugars, in particular glucose, sucrose, arabinose, xylose or CO 2 , or H 2 , in pure form or as a molasses or mixtures of said substances or their precursors, such as.
  • starch for example, together with enzymes,
  • prokaryotic or eukaryotic microorganisms for example bacteria such as E. coli, Anaerobiopirillum succiniproducens, Actinobacillus succinogenes, Mannheimia succiniproducens or other bacteria or fungi that produce succinic acid.
  • bacteria such as E. coli, Anaerobiopirillum succiniproducens, Actinobacillus succinogenes, Mannheimia succiniproducens or other bacteria or fungi that produce succinic acid.
  • a microorganism such as E. coli
  • a microorganism in fermentation, is transferred to anaerobic conditions after an aerobic growth phase to develop biomass.
  • the synthesis of succinate takes place.
  • Both cultivation steps can take place in particular in complex medium.
  • Another embodiment comprises recycling the cells several times and carrying out the anaerobic production phase on complex or minimal medium.
  • the fermentation can be carried out both in stirred fermenters, bubble columns and loop reactors.
  • the fermentation broth can be pretreated, for example, the biomass of the broth can be separated.
  • Methods of separating the biomass are known to those skilled in the art, e.g. Filtration, sedimentation and flotation. Consequently, the biomass can be separated, for example, with centrifuges, separators, decanters, filters or in flotation apparatus.
  • centrifuges, separators, decanters, filters or in flotation apparatus For complete recovery of the desired product is often recommended washing the biomass, z. B. in the form of a diafiltration. The choice of method depends on the biomass fraction in the fermenter broth and the properties of the biomass, as well as the interaction of the biomass with the desired product.
  • the fermentation broth may in one embodiment be sterilized or pasteurized.
  • the fermentation broth is concentrated.
  • This concentration or evaporation can be carried out batchwise or continuously as required.
  • the pressure and temperature range should be chosen so that on the one hand no product damage occurs, on the other hand a minimized use of equipment and energy is necessary.
  • the clever choice of pressure and temperature levels for multi-stage evaporation allows for energy savings.
  • Apparatus can be used to stirred tank, falling film, thin film, Zwangsentnapssumlauf-, and other evaporator types in natural or forced circulation.
  • fertilization broth is understood to mean an aqueous solution based on a fermentative process which has not been worked up or worked up, for example, as described herein.
  • a mixture which, inter alia, contains the products succinic acid, succinic acid monoamide, succinimide and succinic acid diamide.
  • the proportion of different products for example, by the choice of residence time, temperature, or the water and ammonia content can be changed.
  • the remaining fermentation by-products are essentially separated in the distillation.
  • the mixture of succinic acid, succinic acid monoamide, succinimide and succinic diamide can be reacted with high yields to pyrrolidones, in particular to 2-pyrrolidone.
  • the reaction parameters of the reaction are so be chosen that a melt containing essentially succinimide is formed when the temperature of the distillation effluent above the melting point, preferably maintained at> 130 ° C.
  • the process for producing succinimide can be carried out continuously or in a batch.
  • the process according to the invention comprises all of the stated process steps (i) to (iii), in particular at the said pressure and at the said temperature.
  • the process is preferably carried out under the respectively preferred conditions.
  • the reaction after step (i) can be carried out, for example, in stirred tanks or other reactors, in different types of evaporators, such as, for example, B. falling film evaporators, in a distillation column or in combinations thereof.
  • a spray dryer or a spray granulator can also be used as a reactive dryer, wherein the product is present as a solid, which then has to be melted or dissolved again for purification or further reaction.
  • Acetate, lactate, formate and media components are preferably removed as secondary components.
  • the proportion of succinimide is preferably more than 50%, 60% or 70, depending on the starting material %, preferably more than 80%, even more preferably more than 85%
  • DAS increased 87% or more succinimide.
  • the purification of the diammonium succinate on secondary components can also be achieved via a release of the Succinic acid and crystallization, via membrane processes, in particular electrodialysis, via chromatography or extraction or other methods known to those skilled in the art.
  • the fermentation broth is a 1-50%, preferably less than 30% polyalkylene glycols, such as. Pluriol (trade name), in particular Pluriol P600 (trade name), or silicone oils, such as. B. Baysilone (trade name) or paraffin oils added
  • the present invention relates to a composition, for example a melt, containing compound II and polyalkylene glycols, such as e.g. Pluriol (trade name), in particular Pluriol P600 (trade name), or silicone oils, such as. B. Baysilone (trade name) or paraffin oils, for example with Pluriol P600. It is preferable to use as much of the above-described compounds as to improve the reaction and distillation by sufficiently lowering the viscosity and maintaining the stirrability of the reaction mixture.
  • the production of succinimide from DAS according to the inventive method is advantageous, since even with incomplete conversion, the mixture of DAS, succinic acid monoamide and diamide and succinimide can be further processed.
  • the reduction of compound II or the composition containing compound II and optionally compounds IIa and IIb to compound III is by hydrogenation, for example catalytic hydrogenation with hydrogen in the presence of homogeneous or heterogeneous catalysts, e.g. may be suspended or fixed, or hydration with complex hydrides, or a transfer hydrogenation at the e.g. Alcohols such as methanol or iso-propanol to form aldehyde or with a ketone that releases hydrogen for hydrogenation.
  • the reduction of the compound II is a catalytic hydrogenation and may be carried out in the gas or the liquid phase.
  • Suitable reactors are all types customary for hydrogenations, such as, for example, batch-operated, for example stirred, or continuously operated reactors:
  • As reactors it is possible, for example, to use tubular reactors, tube-bundle reactors, shaft reactors or fluidized-bed reactors.
  • the hydrogenation can be in one step or in multiple stages, e.g. with main and secondary reactor.
  • the main reactor at least in the liquid phase, operated with external circulation for heat removal, the secondary reactor preferably in the straight pass, in order to achieve the highest possible conversion.
  • the reaction pressure in the liquid or gas phase the below-mentioned pressures can be used.
  • the hydrogenation can be carried out with the addition of ammonia, but it is not necessary. If ammonia is added, the formation of gamma-butyrolactone can be suppressed, which facilitates the work-up of the reaction effluents. Based on the starting material used, ammonia is used up to about 10 times, preferably up to 5 times, particularly preferably up to 2 times the molar excess.
  • products which have not yet been fully reacted can generally be recycled in order to increase the yield.
  • Such products are e.g. Imide or bisamide.
  • heterogeneous but also homogeneous catalysts suitable for the hydrogenation of carbonyl groups in the process according to the invention can be both fixed, as well as mobile, such as used in a fluidized bed reactor. Examples of this are, for example, in Houben-Weyl, Methods of Organic Chemistry, Volume IV / 1c, pp. 16 to 26 , described.
  • catalysts containing copper, cobalt, ruthenium or rhenium are particularly preferred.
  • the catalysts used in the process according to the invention may be, for example, so-called precipitation catalysts.
  • Such catalysts can be prepared by reacting their catalytically active components from their salt solutions, in particular from the solutions of their nitrates and / or acetates, for example by adding solutions of alkali metal and / or alkaline earth metal and / or carbonate solutions, eg sparingly soluble Hydroxide, oxyd hydrates, basic salts or carbonates precipitates, the resulting precipitates then dried and then calcined at generally about 300 to about 700 ° C, especially about 400 to about 600 ° C in the corresponding oxides, mixed oxides and / or mixed-valent oxides which is reduced by treatment with hydrogen or hydrogen-containing gases at generally about 50 to about 700 ° C, especially about 100 to about 400 ° C to the respective metals and / or oxidic compounds of low oxidation state and in the actual, catalytically active For m be transferred.
  • the precipitation of the catalytically active components can be carried out in the presence of the relevant support material.
  • the catalytically active components can advantageously but also be precipitated simultaneously with the carrier material from the relevant salt solutions.
  • the catalytically active metals can be applied to these support materials, for example by impregnation with solutions or suspensions of the salts or oxides of the elements concerned, drying and subsequent reduction of the metal compounds to the respective metals or compounds of lower oxidation state by means of a reducing agent, preferably with hydrogen or complex hydrides ,
  • a reducing agent preferably with hydrogen or complex hydrides
  • Another possibility for applying the catalytically active metals to these carriers is to impregnate the carrier with solutions of thermally easily decomposable salts, for example with nitrates or thermally easily decomposable complex compounds, for example carbonyl or hydrido complexes of the catalytically active metals, and the like impregnated carrier for the purpose of thermal decomposition of the adsorbed metal compounds to temperatures of 300 to 600 ° C to heat.
  • This thermal decomposition is preferably carried out under a protective gas atmosphere.
  • Suitable shielding gases are, for example, nitrogen, carbon dioxide, hydrogen or the noble gases.
  • the catalytically active metals can be deposited on the catalyst support by vapor deposition or by flame spraying.
  • the content of these supported catalysts on the catalytically active metals is in principle not critical to the success of the process according to the invention. It will be understood by those skilled in the art that higher levels of these supported catalysts on catalytically active metals can result in higher space-time conversions than lower levels.
  • supported catalysts are used whose content of catalytically active metals is about 0.1 to about 90 wt .-%, preferably about 0.5 to about 40 wt .-% based on the total catalyst. Since these content data refer to the entire catalyst including carrier material, but the different carrier materials have very different specific weights and specific surface areas, these data can also be undershot or exceeded, without adversely affecting the result of the process according to the invention.
  • the catalytically active metals be applied to the respective substrate.
  • the catalytically active metals for example, by the method of DE-A 2 519 817 .
  • EP-A 1 477 219 and EP-A 285 420 be applied to the carrier.
  • the catalytically active metals are present as an alloy, which are produced by thermal treatment and / or reduction of, for example, by impregnation with a salt or complex of the aforementioned metals.
  • Both the activation of the precipitation catalysts and the supported catalysts can also be carried out in situ at the beginning of the reaction by the hydrogen present, but these catalysts are preferably activated separately prior to their use.
  • support materials the oxides of aluminum and titanium, zirconia, silica, clays, e.g. Montmorillonite, silicates such as magnesium or aluminum silicates, zeolites such as ZSM-5 or ZSM-10 zeolites, and activated carbon can be used.
  • Preferred support materials are aluminas, titanium dioxides, silica, zirconia and activated carbon.
  • mixtures of different carrier materials can also serve as carriers for catalysts which can be used in the process according to the invention.
  • heterogeneous catalysts which can be used in the process according to the invention, the following are exemplified: cobalt on activated carbon, cobalt on silica, cobalt on alumina, rhenium on activated carbon, rhenium on silica, rhenium / tin on activated carbon, rhenium / platinum on activated carbon, copper on activated carbon, copper / Silica, copper / alumina, copper chromite, barium copper chromite, copper / alumina / manganese oxide, copper / alumina / zinc oxide and the catalysts according to DE-A 3 932 332 . US Pat. No. 3,449,445 . EP-A 44 444 . EP-A 147 219 . DE-A 3 904 083 . DE-A 2 321 101 . EP-A 415 202 . DE-A 2 366 264 . EP 0 552 463 and EP-A 100406 ,
  • the hydrogenation can be carried out with the addition of the corresponding alcohols or amines.
  • 2-pyrrolidone is alkylated in a gas phase or in a liquid phase.
  • 2-pyrrolidone is in the gas phase to a branched or unbranched C1 to C20-N-alkylpyrrolidone or branched or unbranched N-hydroxyalkylpyrrolidone or branched or unbranched Aminoalkylpyrrolidonalkyliert, particularly preferred is the alkylation to N-methylpyrrolidone (NMP) and N -Ethylpyrrolidon.
  • NMP N-methylpyrrolidone
  • pyrrolidone at temperatures of 100 to 400 ° C, preferably 140 to 370 ° C, more preferably at 180 to 350 ° C and pressures (absolute) between 0.2 and 50 bar preferably 0.7 to 40 bar, particularly preferably 0 , 8 to 20 bar reacted with alcohols, alkylamines, hydroxyalkylamines or dialkylamines. alcohols are preferred.
  • the alkylating agent is preferably added in excess, ie, based on pyrrolidone 1.01 to 10 molar equivalents. Preference is given to 1.1 to 3 molar equivalents.
  • catalysts are used which have acidic or basic centers. Usually, these are oxidic catalysts such as alumina, silica, titanium oxide or mixed oxides such as clays, zeolites or the like.
  • alkylating agents mentioned below may in particular also be added to the hydrogenation.
  • a straight or branched chain C1 to C20 alcohol or alkylamine is used, preferably a straight or branched chain C1 to C4 alcohol, e.g. Methanol, ethanol, propanol or butanol, or a corresponding amine, e.g. Methylamine, ethylamine, butylamine or propylamine.
  • alkylation is carried out in the presence of methanol or ethanol.
  • NMP N-methylethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoe
  • pyrrolidone can be recycled to the reaction after the work-up by distillation.
  • succinimide is hydrogenated to 2-pyrrolidone in the process of the invention.
  • the process is carried out at said pressure and at said temperature and with said catalyst.
  • the process is carried out under the most preferred conditions.
  • the hydrogenation is in the gas phase at about 150 ° C to about 280 ° C and at about 5 to about 60 bar with catalysis of a copper, cobalt, ruthenium, or rhenium based catalyst in the presence of about 1 to about 2-fold excess of ammonia based on the educt.
  • the process according to the invention comprises the following step: alkylating the compound IIIa with a branched or unbranched saturated hydrocarbon having 1 to about 20 carbon radicals and 1 to 2 OH or NH 2 radicals, preferably 1 or 2 carbon radicals and 1 OH or NH 2 radical.
  • the alkylation can be carried out in a liquid phase or in a gas phase.
  • the alkylation is carried out in the liquid phase.
  • the process is carried out at said pressure and at said temperature and with said catalyst.
  • the process is carried out under the most preferred conditions.
  • the starting materials may be recycled after purification by distillation (e.g., batch or continuous distillation).
  • distillation e.g., batch or continuous distillation
  • low boilers, if present, such as water, amine, ammonia, alcohol are usually first separated in a first column and optionally recycled, if necessary after purification.
  • the remaining product-carrying stream is then further separated, optionally in a further column, wherein, if present, unreacted pyrrolidone of the formula III is separated off and recycled.
  • a substituted or unsubstituted pyrrolidone is prepared in the process of the invention.
  • said steps are combined to produce an N-hydroxyalkylpyrrolidone or an N-alkylpyrrolidone, for example N-methylpyrrolidone (NMP).
  • NMP N-methylpyrrolidone
  • a mixture of 2-pyrrolidone and N-methylpyrrolidone (NMP) is prepared.
  • LB + glucose liquid medium has the following composition: 10 g / l tryptone, 5 g / l yeast extract, 10 g / l NaCl and 10 g / l glucose.
  • LB + glucose agar contains an additional 15 g / l agar.
  • Prefabricated preparations may be purchased from Becton Dickinson GmbH, Heidelberg as Bacto LB Broth, Miller or Bacto LB Agar, Miller. After addition of 10 g / l of glucose gives the specified media.
  • sterile LB + glucose liquid medium is distributed under sterile conditions in 20 ml portions into sterile 100 ml Erlenmeyer flasks. Subsequently, these flasks are inoculated under sterile conditions with 100 ⁇ l of the "master" cell bank described above. The incubation is carried out for 15 hours at 37 ° C and 180 rpm on a shaking incubator (Infors, type Multitron).
  • the cell suspension is then centrifuged off for 15 minutes at 8500 rpm using a laboratory centrifuge (Heraeus, type Biofuge Primo R, rotor # 7590, 50 ml Greiner PP centrifuge tube, sterile).
  • the cell pellet is resuspended in 10 mL of sterile LB + glucose liquid medium supplemented with 20% glycerol.
  • the resulting cell suspension is filled under sterile conditions in aliquots to 1 ml and stored at -70 ° C. These cultures are used as a working cell bank.
  • a 1.0 ml aliquot of the working cell bank of the succinate production strain is removed from the freezer and stored for 10 minutes at room temperature. 100 .mu.l are taken sterile and distributed sterile on an LB + glucose agar plate with a Impferia. After incubation for 20 hours at 37 ° C, cell plate material is sterile removed from the plate and used to inoculate the preculture flasks (2000 ml round bottom flasks with 4 baffles containing 300 ml preculture medium). The preculture flasks are incubated for six hours at 37 ° C. and 110 rpm on an incubation shaker (company Infors, type Multitron).
  • 3.5 l of batch medium are inoculated with 250 ml of the preculture.
  • the cultivation is carried out for 120 h at 37 ° C in a stirred 5 l bioreactor (Infors, type ISF 100) with a 6-Blattusionnmulchaner and four Strombrechem, pH and pO 2 electrodes.
  • the cultivation is carried out at a constant speed of 900 rpm and aeration with sterile air (3.0 l / min), then to 250 rpm and gassing with sterile CO 2 gas (0 , 18 l / min).
  • the pH is initially controlled to 7.0 with 20% NaOH solution and 20% HCl solution.
  • NH4OH solution is used instead of NaOH solution and controlled to pH 6.8:
  • the feed medium is metered according to a predetermined metering profile, which ensures that the glucose concentration in the fermentation broth is always between 10 and 30 g / l lies.
  • a balance company Satorius, type LP6200S
  • a dosing module company Satorius, type YFC02Z-V2
  • a pump company Meredos, type HP60
  • the concentrations of glucose and succinate in the cell-free supernatant are quantitated by HPLC (stationary phase: Aminex HPX-87H, 300 x 7.8 mm [Biorad], mobile phase: 5 mM H2SO4, RI detection).
  • HPLC stationary phase: Aminex HPX-87H, 300 x 7.8 mm [Biorad], mobile phase: 5 mM H2SO4, RI detection.
  • the fermentation broth is drained into 3 l Erlenmeyer flasks and autoclaved for 20 minutes at 121 ° C.
  • the biomass is separated before further processing, for example by means of laboratory centrifuge.
  • the preculture medium contains the ingredients given in Table 2.
  • To prepare the preculture medium 22.0 g of glucose monohydrate, 10.0 g of Yeast Extract, 20.0 g of tryptone, 0.9 g of K 2 HPO 4 .3H 2 O, 1.14 g of KH 2 PO 4 , 0.25 g CaCl 2 .2H 2 O, 3.0 g (NH 4 ) 2 SO 4 , 0.5 g MgSO 4 .7H 2 O, 20 ml of a biotin solution (50 mg / l, deionized water as solvent) and 1 ml a thiamine solution (1 g / l, deionized water as solvent) added 0.95 liters of demineralized (demineralised) water.
  • the main culture batch medium contains the ingredients listed in Table 3. 154.0 g of glucose monohydrate, 35.0 g of Yeast Extract, 70.0 g of tryptone, 3.15 g of K 2 HPO 4 .3H 2 O, 3.99 g of KH 2 PO 4 , 0.88 are used to prepare the batch medium g CaCl 2 .2H 2 O, 10.5 g (NH 4 ) 2 SO 4 , 1.75 g MgSO 4 .7H 2 O, 70 ml of a biotin solution (50 mg / l, deionized water as solvent) and 3, Add 5 ml of a thiamine solution (1 g / l, deionized water as solvent) to 3.30 liters of deionised (demineralised) water.
  • 550 g of glucose monohydrate are dissolved in 1 liter of deionized water.
  • the sterilization is carried out by sterile filtration through Stericups with Millipore Express PLUS membrane with 0.22 micron pore size (Millipore).
  • the conversion of DAS to succinimide was carried out in a thin-film evaporator.
  • a 10 or 50% synthetic DAS solution was used and passed over the thin-film evaporator in two stages.
  • water and ammonia were distilled off under atmospheric pressure.
  • the partially reacted melt ran into the sump.
  • the bottoms were heated at 250 ° C for about one hour to complete the reaction of DAS to succinimide.
  • the bottom was run over the thin-film evaporator and the succinimide distilled off overhead.
  • the jacket temperature was 230 ° C at a pressure of about 30 mbar.
  • the addition of Pluriol E600 as bottom thinner does not affect the result of succinimide distillation in the second stage.
  • the jacket temperature for the thin-film evaporator was 170 ° C. for a 50% DAS solution at a feed rate of 500 l / h and for a 10% solution at a feed rate of one liter per hour at 220 ° C.
  • the catalyst used in all examples had been activated prior to its use in a hydrogen stream and before hydrogen activation had the following composition: 63.4% CoO, 18.1% CuO, 6.8% Mn3O4, 3.1% MoO3, 0.15% N2O, 3.3% H3PO4, which is 100% missing water.
  • the catalyst preparation is for example in DE-A 2 321 101 respectively.
  • the bottom product contained, besides succinimide, the impurities from the original diammonium succinate solution.
  • succinimide the impurities from the original diammonium succinate solution.
  • the bottom product contained, besides succinimide, the impurities from the original diammonium succinate solution.
  • succinimide the impurities from the original diammonium succinate solution.
  • about 65 g of succinimide were obtained, which were hydrogenated in an autoclave over 10 g of catalyst in the presence of 40 ml of 25% aqueous ammonia solution within 24 h.
  • pyrrolidone was found by quantitative gas chromatographic analysis with 95% yield.
  • succinimide ⁇ 0.1% gamma butyrolactone, 1% pyrrolidine and a variety, quantitatively insignificant products.
  • Example 3.2 Analogously to Example 3.2, 56 g of a catalyst consisting of 80% Al 2 O 3 /20% SiO 2 was used instead of acidic aluminum oxide. At 300 ° C., 48.1% of pyrrolidone, 34.2% of methanol and 16.2% of NMP were found in the discharge. After temperature increase to 350 ° C were found in the discharge 18% pyrrolidone, 17% methanol and 61.3% NMP.

Landscapes

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Description

Bernsteinsäure und deren Derivate sind wichtige Vorprodukte für eine Reihe von wirtschaftlich interessanten Produkten und finden z.B. Verwendung bei der Herstellung von Alkyd- und Polyester-Harzen, Lösungsmitteln oder einer Reihe von Spezialchemikalien, s. Zeikus, Appl. Microbiol. Biotechnol, 1999, 545-552 . Pyrrolidone, die man auch zuweilen Pyrrolidinone nennt, werden im wesentlichen petrochemisch aus der Reaktion von Gamma-Butyrolacton mit Ammoniak (2-Pyrrolidon) bzw. mit Methylamin (N-Methylpyrrolidon) oder allgemein mit Alkylamin (N-Alkylpyrrolidon) hergestellt. N-Alkylpyrrolidone, wie z.B. NMP, finden z.B. in der Elektroindustrie als Lösemittel Verwendung, 2-Pyrrolidon ist ein wichtiges Lösungs- und Extraktionsmittel und dient überwiegend als Zwischenprodukt zur Herstellung von N-Vinylpyrrolidon, das wiederum ein wichtiges Monomer darstellt.Succinic acid and its derivatives are important precursors for a number of economically interesting products and are used, for example, in the production of alkyd and polyester resins, solvents or a range of specialty chemicals, see. Zeikus, Appl. Microbiol. Biotechnol, 1999, 545-552 , Pyrrolidones, which are also sometimes called pyrrolidinones, are prepared essentially petrochemically from the reaction of gamma-butyrolactone with ammonia (2-pyrrolidone) or with methylamine (N-methylpyrrolidone) or generally with alkylamine (N-alkylpyrrolidone). N-alkylpyrrolidones, such as NMP, for example, in the electrical industry as a solvent use, 2-pyrrolidone is an important solvent and extractant and serves mainly as an intermediate for the preparation of N-vinylpyrrolidone, which in turn is an important monomer.

Bisher existiert nur ein relativ kleiner Markt für Bernsteinsäure, die in der Regel petrochemisch aus Maleinsäureanhydrid oder Butandiol hergestellt wird, jedoch wurde in den letzten Jahren sehr stark auf dem Gebiet der fermentativen Herstellung geforscht, so dass eine industrielle fermentative Herstellung von Bernsteinsäure als Zwischenprodukt für C4-Chemikalien in naher Zukunft möglich erscheint; Miller, Varadarajan in Biotechnol. Prog. 1999,15,845-854 . Aufreinigungsmethoden zur Isolierung von Bernsteinsäure oder Bernsteinsäuresalzen aus Fermentationsbrühen sind zahlreich beschrieben. Bernsteinsäure wird beispielsweise mit Hilfe von Filtration, Kristallisation, Extraktion, Elektrodialyse, Chromatographie, aus Fermentationsbrühen gewonnen: US 5,034,105 , US 4,670,155 , US 5,814,498 , US 5,168,055 , US 5,958,744 , US 5,780,276 , US 5,143,834 , US 5,143,833 , US 5,412,126 , US 5,104,492 , US 4,670,155 .So far, there is only a relatively small market for succinic acid, which is usually produced petrochemically from maleic anhydride or butanediol, but in recent years, research has been conducted in the field of fermentative production, so that an industrial fermentative production of succinic acid as an intermediate for C4 Chemicals seems possible in the near future; Miller, Varadarajan in Biotechnol. Prog. 1999,15,845-854 , Purification methods for the isolation of succinic acid or succinic acid salts from fermentation broths are numerous described. Succinic acid is obtained, for example, from fermentation broths by means of filtration, crystallization, extraction, electrodialysis, chromatography. US 5,034,105 . US 4,670,155 . US 5,814,498 . US 5,168,055 . US 5,958,744 . US 5,780,276 . US 5,143,834 . US 5,143,833 . US 5,412,126 . US 5,104,492 . US 4,670,155 ,

Die aufgereinigte Bernsteinsäure und ihre Salze oder deren Ester werden in der Regel zu N-Alkylsuccinimid ( US 4,841,069 , US 4,814,464 ) oder direkt zu 2-Pyrrolidon ( US 3,080,377 , US 3,198,808 , US 3,681,387 , US 4,263,175 ) oder NMP ( US 3,448,118 , US 5,157,127 , US 5,434,273 , WO02/102772 ) umgesetzt.The purified succinic acid and its salts or their esters are generally converted into N-alkyl succinimide ( US 4,841,069 . US 4,814,464 ) or directly to 2-pyrrolidone ( US 3,080,377 . US 3,198,808 . US 3,681,387 . US 4,263,175 ) or NMP ( US 3,448,118 . US 5,157,127 . US 5,434,273 . WO02 / 102772 ) implemented.

Weiterhin werden Verfahren beschrieben, in denen Pyrrolidone aus Succinimid hergestellt werden. Succinimid selbst kann nach JP 04282361 aus Bernsteinsäure und Ammoniak in Gegenwart von Phopsphit hergestellt werden. SU 1317890 beschreibt die Herstellung von Succinimid aus Bernsteinsäure und Harnstoff, während gemäß Zh. Obshch. Khim.; 20, 1950, 1145, 1149, 1191, 1195 Succinimid zusammen mit Bernsteinsäuremonoamid aus Bernsteinsäure in Gegenwart von Pyridin und Sulfamid hergestellt werden kann. Weitere Verfahren zur Herstellung von Succinimid sind z.B. beschrieben in Yakugaku Zasshi; 62; 1942; 532, 169, wo Succinimid aus Bernsteinsäure mit Formamid hergestellt wird, Recl. Trav. Chim. Pays-Bas; 75; 1956; 164, 167 ; J. Indian Chem. Soc.; 10; 1933; 111, 114 , die die Herstellung von Succinimid aus Bernsteinsäure und Harnstoff beschreiben sowie in den Veröffentlichungen J. Chem. Soc.; 1931; 443 (Herstellung von Succinimid aus Bernsteinsäure und Ammoniumcarbonat), Chem. Ber.; 23; 1890; 3285 (Herstellung von Succinimid aus Bemsteinsäuremonoamid) und Justus Liebigs Ann. Chem.; 49; 1844; 197 (Herstellung von Succinimid aus Bemsteinsäurediamid).Furthermore, methods are described in which pyrrolidones are prepared from succinimide. Succinimide itself can after JP 04282361 from succinic acid and ammonia in the presence of phopsphite. SU 1317890 describes the production of succinimide from succinic acid and urea, while according to Zh. Obshch. Khim .; 20, 1950, 1145, 1149, 1191, 1195 succinimide can be prepared together with succinic acid monoamide from succinic acid in the presence of pyridine and sulfamide. Further processes for the preparation of succinimide are described, for example, in Yakugaku Zasshi; 62; 1942; 532, 169, where succinimide from succinic acid is made with formamide, Recl. Trav. Chim. Pays-Bas; 75; 1956; 164, 167 ; J. Indian Chem. Soc .; 10; 1933; 111, 114 describing the production of succinimide from succinic acid and urea and in the publications J. Chem. Soc .; 1931; 443 (Preparation of succinimide from succinic acid and ammonium carbonate), Chem. Ber .; 23; 1890; 3285 (Preparation of succinimide from succinic acid monoamide) and Justus Liebigs Ann Chem .; 49; 1844; 197 (Preparation of succinimide from succinic diamide).

In Clarke, Org. Synth. 1943, II, 562 wird die Umsetzung von chemisch reinem Diammoniumsuccinat zu Succinimid durch eine Reaktivdestillation mit anschließender Destillation beschrieben. In einer ersten Stufe wird die wässrige Diammoniumsuccinatlösung eingeengt bis eine Schmelze vorliegt und dann in einer zweiten Stufe wird das Succinimid über Kopf abdestilliert. Beispielsweise wird eine Kristallisation des Succinimids in 95 %-igem Ethanol durchgeführt, um eine möglichst hohe Reinheit zu erreichen.In Clarke, Org. Synth. 1943, II, 562 the reaction of chemically pure diammonium succinate to succinimide is described by a reactive distillation followed by distillation. In a first stage, the aqueous diammonium succinate solution is concentrated until a melt is present, and then in a second stage, the succinimide is distilled off overhead. For example, a crystallization of the succinimide is carried out in 95% ethanol in order to achieve the highest possible purity.

DT 2313386 beschreibt die chemische Umsetzung von Bernsteinsäure in Gegenwart von Ammoniak und Triammoniumphosphat zu Succinimid.DT 2313386 describes the chemical conversion of succinic acid in the presence of ammonia and triammonium phosphate to succinimide.

WO 02/102772 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von N-Methylpyrrolidonen, bei dem Diammoniumsuccinat hydriert wird und ein Gemisch aus 2-Pyrrolidon und N-Methylpyrrolidon entsteht. WO 02/102772 describes a process for the preparation of N-methylpyrrolidones in which diammonium succinate is hydrogenated to form a mixture of 2-pyrrolidone and N-methylpyrrolidone.

Bei der Herstellung von Folgeprodukten, wie z. B. Pyrrolidonen, aus fermentativ hergestellter Bernsteinsäure und ihren Derivaten erfordert die erfolgreiche Durchführung der Reaktionsschritte oftmals, dass die Intermediate aufgereinigt werden müssen. Zur Aufarbeitung von Bernsteinsäure oder ihren Derivaten (z. B. Salze oder Ester) aus Fermentationsbrühen werden oftmals apparativ und zeitlich aufwändige Verfahrensschritte wie z. B. Kristallisation, Fällung, Elektrodialyse, Extraktion oder Chromatographie vorgeschlagen, um eine ausreichende Abtrennung der z. B. katalysatorschädigenden Inhaltsstoffe (evtl. Nährmedienbestandteile, Stoffwechselnebenprodukte, Zellbestandteile) zu erreichen. Da insbesondere für Bernsteinsäure und ihre Salze oftmals eine Kombination dieser Verfahrensschritte als notwendig beschrieben wird, waren die dadurch entstehenden Kosten bisher ein Hemmnis für ein industrielles Verfahren zur Umsetzung von fermentativer Bernsteinsäure zu vergleichsweise niedrigpreisigen Produkten wie z. B. Pyrrolidonen. Zudem ist bei einigen dieser Aufarbeitungsverfahren ein Recycling der in der Fermentation eingesetzten Base nicht möglich, was zusätzliche Kosten hinsichtlich Einsatzstoffe und Entsorgung verursacht.In the production of derived products, such. As pyrrolidones, from fermented succinic acid and its derivatives, the successful implementation of the reaction steps often requires that the intermediates must be purified. For working up succinic acid or its derivatives (for example salts or esters) from fermentation broths, process steps which are time-consuming in terms of equipment and time, such as, for example, are frequently required. As crystallization, precipitation, electrodialysis, extraction or chromatography, to obtain a sufficient separation of z. B. catalyst damaging ingredients (possibly Nährmedienbestandteile, metabolic by-products, cell components) to achieve. Since, in particular, a combination of these process steps is often described as necessary for succinic acid and its salts, the resulting costs hitherto have been an obstacle to an industrial process for converting fermentative succinic acid into comparatively low-price products, such as, for example, B. pyrrolidones. In addition, recycling of the base used in the fermentation is not possible with some of these work-up procedures, which causes additional costs with regard to starting materials and disposal.

Der vorliegenden Erfindung lag also das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das eine kostengünstige Herstellung von Succinimid sowie möglichen Folgeprodukten, insbesondere von substituierten und nicht-substituierten Pyrrolidonen aus verunreinigten Succinat-haltigen Lösungen, d.h. aus Lösungen, die viele Nebenkomponenten enthalten, wie z.B. Fermentationsbrühen, erlaubt.The present invention was therefore based on the problem of providing a process which provides cost-effective production of succinimide and possible secondary products, in particular of substituted and unsubstituted pyrrolidones from contaminated succinate-containing solutions, ie solutions containing many minor components, such as fermentation broths.

Das dieser Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch das Zurverfügungstellen des hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens und die in den Ansprüchen charakterisierten Ausführungsformen gelöst.The problem underlying this invention is solved by providing the method of the invention described herein and the embodiments characterized in the claims.

Folglich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von dem Zwischenprodukt Succinimid oder einer Zusammensetzung, die Succinimid enthält, und in welchem in weiteren erfindungsgemäßen Schritten Pyrrolidone hergestellt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die hierin beschriebenen Ausführungsformen charakterisiert.Accordingly, the present invention relates to a process for the preparation of the intermediate succinimide or a composition containing succinimide, and in which further pyrrolidones according to the invention can be prepared. The method according to the invention is characterized by the embodiments described herein.

In einer Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung folglich ein Verfahren zur Herstellung der Verbindung II oder einer Zusammensetzung, enthaltend die Verbindung II

Figure imgb0001
wobei das Verfahren mindestens folgende Schritte umfasst:

  1. (a) Zurverfügungstellen einer Fermentationsbrühe, die in einer weiteren Ausführungsform vorbehandelt ist, z.B. durch Biomasseabtrennung, Sterilisation, und/oder Aufkonzentrierung, enthaltend die Verbindung I
    Figure imgb0002
    wobei R1 gleich NH4 +, H+ oder ein anderes Kation und
    R2 gleich NH4 +, H+ oder ein anderes Kation sein kann,
    und wobei mindestes R1 oder R2 gleich NH4 + ist;
  2. (b) Umsetzen der Verbindung I in der Fermentationsbrühe zur Verbindung II;
  3. (c) gleichzeitiges, intermittierendes oder folgendes Abdestillieren von Ammoniak und/oder Wasser;
  4. (d) nachfolgendes Destillieren des Sumpfes der Destillation von Schritt (c) bei vermindertem Druck, wobei ein Destillat enthaltend Verbindung II entsteht; und
  5. (e) Isolieren der Verbindung II oder Umsetzen des Destillats aus Schritt (d).
Thus, in one embodiment, the present invention relates to a process for the preparation of the compound II or a composition containing the compound II
Figure imgb0001
the method comprising at least the following steps:
  1. (a) providing a fermentation broth which has been pretreated in a further embodiment, eg by biomass separation, sterilization, and / or concentration, containing the compound I.
    Figure imgb0002
    where R 1 is NH 4 + , H + or another cation and
    R 2 may be NH 4 + , H + or another cation,
    and wherein at least R 1 or R 2 is NH 4 + ;
  2. (b) reacting Compound I in the fermentation broth to Compound II;
  3. (c) simultaneous, intermittent or subsequent distilling off of ammonia and / or water;
  4. (d) subsequently distilling the bottom of the distillation of step (c) under reduced pressure to produce a distillate containing compound II; and
  5. (e) isolating compound II or reacting the distillate from step (d).

In Schritt (c) wird Wasser teilweise oder vollständig abdestilliert, das in der Reaktion entsteht oder aber in der Brühe enthalten ist. Ammoniak entsteht nur, wenn R1 und R2 für Ammonium stehen. Zusätzlich können noch andere flüchtige Stoffe, vor allem Stoffe die leichter als Succinimid sind mit abdestilliert werden, wie z. B. Ethanol, das bei der Fermentation als Nebenprodukt entstehen kann. Bei den Kationen handelt es sich im wesentlichen um Kationen, die überlicherweise in Fermentationsbrühen oder deren Aufbereitungen enthalten sind. In einer weiteren Ausführungsform ist das Kation ein einwertiges Kation, beispielsweise eines der folgenden Kationen: Na+ und/oder K+. In einer weiteren Ausführungsform ist das Kation ein zweiwertiges Kation, beispielsweiseMg2+, und/oder Ca2+. In einer weiteren Ausführungsform liegt eine Mischung verschiedener Kationen vor, beispielsweise Na+ und/oder K+. In einer weiteren Ausführungsform ist das Kation ein zweiwertiges Kation, beispielsweiseMg2+, und/oder Ca2+ und/oder andere Kationen, beispielsweise von Spurenelementen.In step (c), water is partly or completely distilled off, which is formed in the reaction or is contained in the broth. Ammonia is formed only when R 1 and R 2 are ammonium. In addition, other volatile substances, especially substances lighter than succinimide are distilled off with, such. As ethanol, which may be produced as a byproduct during fermentation. The cations are essentially cations which are usually present in fermentation broths or their preparations. In a further embodiment, the cation is a monovalent cation, for example one of the following cations: Na + and / or K +. In another embodiment, the cation is a divalent cation, for example Mg 2+ , and / or Ca 2+ . In a further embodiment, there is a mixture of different cations, for example Na + and / or K +. In a further embodiment, the cation is a divalent cation, for example Mg 2+ , and / or Ca 2+ and / or other cations, for example of trace elements.

Überraschenderweise wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Verbindung II in einer Zusammensetzung erhalten, die die unmittelbare weitere Umsetzung, z.B. in einer Hydrierung, der Verbindung II und ggf. anderen Bestandteilen der Zusammensetzung ermöglicht, ohne dass ein oder mehrere weitere Aufreinigungsschritt(e) erforderlich sind. Dies ist insbesondere bei Berücksichtigung des Ausgangsmaterials "Fermentationsbrühe" überraschend. Vorteilhaft werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Derivate , wie z. B. Monoamid der Bersteinsäure, die in dem erhaltenen Gemisch enthaltend sind, zu Pyrrolidonen umgesetzt, so dass es überraschend zu einer einheitlichen Umsetzung des Succinimid kommt, trotz der vielen Nebenkomponenten, die die Fermentationsbrühe vor der Umsetzung laut dem erfindungsgemäßen Verfahren enthält.Surprisingly, in the process according to the invention, the compound II is obtained in a composition which facilitates the immediate further reaction, e.g. in a hydrogenation which allows compound II and optionally other components of the composition without requiring one or more further purification steps. This is surprising especially considering the starting material "fermentation broth". Advantageously, in the process according to the invention also derivatives such. As monoamide of the succinic acid, which are contained in the mixture obtained, reacted to pyrrolidones, so that surprisingly comes to a uniform reaction of the succinimide, despite the many minor components that contains the fermentation broth prior to the reaction according to the inventive method.

Aufarbeitungen von Stoffwechselprodukten hergestellt in Fermentationen, bedürfen oftmals besonderer Reinigungsschritte, da nicht oder unvollständig umgesetzte Bestandteile des Mediums, Abbauprodukte von Bestandteilen des Mediums, gebildete Nebenprodukte und deren Abbauprodukte, durch lysierte Zellen freigesetzte Bestandteile und deren Abbauprodukte, wie z.B. Salze, Polysaccharide, Proteine, Peptide und Aminosäuren, Amine, Amide, organische Säuren, Alkohole, Aldehyde, und/oder Ketone, die jeweiligen Abbauprodukte und/oder andere organische und anorganische Verbindungen. eine weitere chemische Umsetzung inhibieren können oder nicht zu einem Reinigungseffekt führen, der eine Folgereaktion ohne Zwischenreinigung erlaubt. Vorteilhaft ist Verbindung I thermisch stabil. Im vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren entfallen zeitaufwändige und teuere Reinigungsschritte der Verbindung I, wie z.B. Chromatographie, Elektrodialyse oder Kristallisation. Vorteilhaft ist zudem, dass der gegebenenfalls entstehende Ammoniak in Form von wässriger Ammoniumhydroxid-Lösung zurückgewonnen und wieder in der Fermentation eingesetzt werden kann. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Gefahr der Katalysatorvergiftung durch Nebenbestandteile der Fermentationsbrühe herabgesetzt werden und die destillative Reinigung der Endprodukte erleichtert werden, weil die meisten Nebenprodukte aus der Fermentation bei der Destillation der Verbindung II oder der Zusammensetzung enthaltend die Verbindung II abgetrennt werden.Workup of metabolic products produced in fermentations, often require special purification steps, as not or incompletely converted components of the medium, degradation products of components of the medium, by-products formed and their degradation products, by lysed cells liberated components and their degradation products, such as salts, polysaccharides, proteins, Peptides and amino acids, amines, amides, organic acids, alcohols, aldehydes, and / or ketones, the respective degradation products and / or other organic and inorganic compounds. inhibit another chemical reaction or not lead to a cleaning effect that allows a subsequent reaction without intermediate purification. Advantageously, compound I is thermally stable. In the present inventive process eliminates time-consuming and expensive purification steps of compound I, such as chromatography, electrodialysis or crystallization. It is also advantageous that the optionally formed ammonia can be recovered in the form of aqueous ammonium hydroxide solution and used again in the fermentation. The inventive method, the risk of catalyst poisoning can be reduced by minor components of the fermentation broth and the purification by distillation of the final products are facilitated because most by-products are separated from the fermentation in the distillation of the compound II or the composition containing the compound II.

Folglich wird in einer bevorzugten Ausführungsform die Verbindung II und/oder die oben genannten Derivate ohne weitere Isolierung oder Zwischenreinigung umgesetzt, z.B. wie unten beschrieben, insbesondere in einer Hydrierung.Thus, in a preferred embodiment, compound II and / or the above derivatives are reacted without further isolation or intermediate purification, e.g. as described below, especially in a hydrogenation.

Folglich wird in einer weiteren Ausführungsform in dem vorliegenden Verfahren der entstehende Ammoniak zurückgewonnen und vorzugsweise wieder in der Fermentation eingesetzt, beispielsweise als wässrige Ammoniumhydroxid-Lösung.Thus, in another embodiment, in the present process, the resulting ammonia is recovered and preferably reused in the fermentation, for example, as an aqueous ammonium hydroxide solution.

Bei der Umsetzung von Verbindung I zu Verbindung II entstehen die Zwischenprodukte Verbindung IIa und Verbindung IIb:

Figure imgb0003
wobei R3 gleich H+ oder ein anderes Kation sein kann, vorzugsweise ein Kation, das ein Mediumbestandteil ist, beispielsweise ein Kation wie oben aufgezählt oder NH4 +;
und/oder
Figure imgb0004
In the reaction of compound I to compound II, the intermediates compound IIa and compound IIb are formed:
Figure imgb0003
wherein R 3 may be H + or another cation, preferably a cation which is a medium component, for example a cation as enumerated above or NH 4 + ;
and or
Figure imgb0004

Je nach Wahl der Parameter kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren der jeweilige Anteil von Verbindung II und/oder IIa und/oder IIb verändert und bestimmt werden In einer Ausführungsform sind die Verweilzeit im oberen Bereich des Temperaturintervalls länger und wird das entstehende Wasser und ggf. der entstehende Ammoniak im wesentlichen vollständig abdestilliert, beispielsweise zu mindestens 50%, vorzugsweise zu 60%, 70%, 80%, 90%, 95, 97%, 99% oder mehr. Wasser wird vorzugsweise vollständig abdestilliert. Folglich betrifft die Erfindung in einer Ausführungsform ein erfindungsgemäßes Verfahren in dem eine Zusammensetzung enthaltend Succinimid und/oder Bernsteinsäuremonoamid und/oder Bemsteinsäurediamid herstellt wird.Depending on the choice of parameters, the respective proportion of compound II and / or IIa and / or IIb can be changed and determined in the method according to the invention. In one embodiment, the residence time is in the upper range of the temperature interval longer and the resulting water and optionally the resulting ammonia is substantially completely distilled off, for example at least 50%, preferably to 60%, 70%, 80%, 90%, 95, 97%, 99% or more. Water is preferably completely distilled off. Accordingly, in one embodiment, the invention relates to a process according to the invention in which a composition comprising succinimide and / or succinic acid monoamide and / or succinic acid diamide is prepared.

In einer Ausführungsform werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Parameter so gewählt, dass eine Verbindung II enthaltende Schmelze erhalten wird. Folglich liegt in einer Ausführungsform die Temperatur über dem Schmelzpunkt der Schmelze. Der Schmelzpunkt von Succinimid liegt zwischen ungefähr 120°C bis 130°C, der Schmelzpunkt einer Succinimid-haltigen Schmelze liegt je nach Verunreinigungsgrad unterhalb des Schmelzpunkts von Succinimid. In einer Ausführungsform wird die Schmelze bei einer Temperatur größer als 120°C, beispielsweise größer als 126 °C gehalten.In one embodiment, in the method according to the invention, the parameters are selected such that a melt containing compound II is obtained. Thus, in one embodiment, the temperature is above the melting point of the melt. The melting point of succinimide is between about 120 ° C to 130 ° C, the melting point of a succinimide-containing melt is depending on the degree of impurity below the melting point of succinimide. In one embodiment, the melt is maintained at a temperature greater than 120 ° C, for example greater than 126 ° C.

In einer Ausführungsform findet das Destillieren von Wasser und/oder Ammoniak und ggf. sonstigen leichterflüchtigen Stoffen im wesentlichen parallel zur Umsetzung statt.In one embodiment, the distillation of water and / or ammonia and optionally other volatile substances takes place substantially parallel to the reaction.

Erfindungsgemäß erfolgt in einer Ausführungsform die Destillation des Succinimids nach dem Destillieren von Wasser und Ammoniak.According to the invention, in one embodiment, the distillation of succinimide after distilling water and ammonia.

In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Zusammensetzung, die Succinimid und weiterhin mindestens Bernsteinsäuremonoamid oder mindestens Bernsteinsäuremonoamid und Bernsteinsäurediamid enthält. Je nach Wahl der Verfahrensparameter entsteht in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Gemisch, das zu unterschiedlichen Anteilen Succinimid, Bernsteinsäure, Bernsteinsäuremonoamid und/oder Bemsteinsäurediamid enthält. Die restlichen Fermentationsnebenbestandteile sind vorzugsweise im wesentlichen abgetrennt. Vorteilhaft wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren unabhängig davon in welchen Anteilen Succinimid sowie Bernsteinsäuremonamid und/oder Bemsteinsäurediamid nach Schritt (c) in dem Destillationssumpf enthalten sind, ein Produkt erhalten, das überraschenderweise Succinimid, Bernsteinsäuremonamid beziehungsweise Bemsteinsäurediamid in einer Form zur Verfügung stellen kann, die eine Umsetzung ohne weitere Aufarbeitung erlaubt.In one embodiment, the invention relates to a composition containing succinimide and further at least succinic monoamide or at least succinic monoamide and succinic diamide. Depending on the choice of process parameters, a mixture which contains succinimide, succinic acid, succinic acid monoamide and / or succinic diamide in different amounts is produced in the process according to the invention. The remaining fermentation by-products are preferably substantially separated. Advantageously, in the process according to the invention, irrespective of the proportions of succinimide and succinic acid amide and / or succinic diamide contained in the distillation bottoms of step (c), a product is obtained which can, surprisingly, provide succinimide, succinic acid amide or succinic acid diamide in a form which has a Reaction allowed without further work-up.

In einer Ausführungsform erfolgt folglich die Umsetzung des Destillats aus Schritt (d) oder die Weiterverarbeitung des Destillats aus Schritt (d) ohne weitere Aufarbeitung. Insbesondere kann in einer Ausführungsform das Destillat aus Schritt (d) ohne weitere Aufarbeitung zu Pyrrolidonen, umgesetzt werden oder die zu Bernsteinsäure oder deren Salzen oder Bernsteinsäurederivaten rückgespalten werden.In one embodiment, consequently, the reaction of the distillate from step (d) or the further processing of the distillate from step (d) takes place without further workup. In particular, in one embodiment, the distillate from step (d) may be converted to pyrrolidones without further workup, or may be back-split to succinic acid or its salts or succinic acid derivatives.

Überraschenderweise kann das Produkt der Destillation aus Schritt (d), enthaltend Verbindung II, IIa und/oder IIb unmittelbar durch Reduktion zu Verbindung IIIa weiter umgesetzt werden.Surprisingly, the product of the distillation from step (d) containing compound II, IIa and / or IIb can be further reacted directly by reduction to compound IIIa.

Insbesondere wird überraschenderweise bei einer erfindungsgemäßen Reduktion einer Zusammensetzung enthaltend Verbindung II sowie IIa, und/oder IIb nicht nur Verbindung II sondern auch Verbindungen IIa und IIb, möglicherweise über die Zwischenstufe Verbindung II, zur Verbindung IIIa umgesetzt..In particular, surprisingly, in a reduction according to the invention of a composition comprising compound II and IIa, and / or IIb, not only compound II but also compounds IIa and IIb, possibly via the intermediate compound II, are converted to compound IIIa.

Folglich wird in einer Ausführungsform durch die hierin beschriebenen erfindungsgemäßen weiteren Verfahrensschritte das Destillat aus Schritt (d) mit hohen Ausbeuten zu 2-Pyrrolidon umgesetzt.Thus, in one embodiment, the distillate of step (d) is converted into 2-pyrrolidone in high yields by the further process steps of the invention described herein.

Optional kann die Verbindung II, beispielsweise Succinimid oder eine Zusammensetzung enthaltend Succinimid, Bernsteinsäure, Bernsteinsäuremonoamid und/oder -diamid aus der Schmelze weiter aufgearbeitet, z.B. weiter aufgereinigt, werden.Optionally, the compound II, for example succinimide or a composition containing succinimide, succinic acid, succinic acid monoamide and / or diamide, can be further worked up from the melt, e.g. be further purified.

In einer Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung folglich ein Verfahren zur Herstellung der Verbindung IIIa oder einer Zusammensetzung enthaltend die Verbindung IIIa

Figure imgb0005
wobei R4 gleich H ist (Verbindung IIIa), oder
und wobei das Verfahren die Schritte des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 enthält und weiterhin folgend:

  • (f) Reduzieren der Verbindung II zur Verbindung III.
Thus, in one embodiment, the present invention relates to a process for the preparation of the compound IIIa or a composition containing the compound IIIa
Figure imgb0005
wherein R4 is H (Compound IIIa), or
and wherein the method includes the steps of the method of claim 1 or 2 and further following:
  • (f) reducing compound II to compound III.

Überraschenderweise kann also mit dem vorliegenden Verfahren eine Verbindung I, die in einer Fermentationsbrühe vorliegt, durch Umsetzung zur Verbindung II und einfache Destillation dergleichen bzw. der Verbindungen IIa und/oder IIb, unter Vermeidung einer kostenintensiven Aufreinigung von Verbindung I mittels Elektrodialyse, Kristallisation, Extraktion, etc., zur Verbindung IIIa bzw. IIIb umgesetzt werden.Surprisingly, therefore, with the present process, a compound I, which is present in a fermentation broth, by reaction to compound II and simple distillation of the like or the compounds IIa and / or IIb, while avoiding costly purification of compound I by means of electrodialysis, crystallization, extraction , etc., are reacted to compound IIIa or IIIb, respectively.

Insbesondere können so vorteilhaft mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wahlweise substituierte oder unsubstituierte Pyrrolidone hergestellt werden, insbesondere 2-Pyrrolidon. Folglich ist in einer Ausführungsform die Reduzierung wie unten beschrieben eine Hydrierung.In particular, optionally substituted or unsubstituted pyrrolidones, in particular 2-pyrrolidone, can advantageously be prepared by the process according to the invention. Thus, in one embodiment, the reduction is hydrogenation as described below.

Besonders vorteilhaft ist, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren kostengünstig und ohne zeitaufwendige Reinigungsschritte eine im wesentlichen 2-Pyrrolidon enthaltende Zusammensetzung bereitgestellt wird. In einer Ausführungsform enthält das erfindungsgemäß hergestellte 2-Pyrrolidon kein NMP.It is particularly advantageous that a substantially 2-pyrrolidone-containing composition is provided by the inventive method at low cost and without time-consuming purification steps. In one embodiment, the 2-pyrrolidone prepared according to the invention contains no NMP.

In einer Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung folglich ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung IIIb oder einer Zusammensetzung enthaltend die Verbindung IIIb, insbesondere einer Zusammensetzung enthaltend die Verbindung IIIa und IIIb

Figure imgb0006
wobei für Verbindung IIIa R4 gleich H ist; und
wobei für Verbindung IIIb R4 gleich verzweigtes oder unverzweigtes Alkyl mit 1 bis 20 Kohlenstoffresten mit 0 bis 1 OH- oder NH2-Resten ist;
und wobei das Verfahren die Schritte des Verfahrens nach Anspruch 3 enthält und weiterhin folgend:

  • (g) vollständiges oder partielles Alkylieren der Verbindung IIIa zur Verbindung IIIb während oder nach Schritt (f).
In one embodiment, the present invention thus relates to a process for preparing a compound IIIb or a composition comprising the compound IIIb, in particular a composition comprising the compounds IIIa and IIIb
Figure imgb0006
wherein for compound IIIa, R 4 is H; and
wherein for compound IIIb R 4 is branched or unbranched alkyl having 1 to 20 carbon radicals with 0 to 1 OH or NH 2 radicals;
and wherein the method includes the steps of the method of claim 3 and further following:
  • (g) completely or partially alkylating the compound IIIa to the compound IIIb during or after step (f).

Um substituierte Pyrrolidone herzustellen, können geeignete Alkylierungsmittel, beispielsweise die weiter unten genannten Alkylierungsmittel, einer Hydrierung zugesetzt werden. Besonders bevorzugt wird zur Herstellung eines N-Alkyl-Pyrrolidons ein gerad- oder verzweigtkettiger C1 bis C20-Alkohol oder -Alkylamin eingesetzt, vorzugsweise ein gerad- oder verzweigtkettiger C1 bis C4-Alkohol, z.B. Methanol, Ethanol, Propanol oder Butanol, oder ein entsprechendes Amin, z.B. Methylamin, Ethylamin, Butylamin oder Propylamin. In einer Ausführungsform wird folglich in Gegenwart von Methanol oder Ethanol alkyliert.In order to prepare substituted pyrrolidones, suitable alkylating agents, for example the alkylating agents mentioned below, may be added to a hydrogenation. Particularly preferred for the preparation of an N-alkyl pyrrolidone, a straight or branched chain C1 to C20 alcohol or alkylamine is used, preferably a straight or branched chain C1 to C4 alcohol, e.g. Methanol, ethanol, propanol or butanol, or a corresponding amine, e.g. Methylamine, ethylamine, butylamine or propylamine. Thus, in one embodiment, alkylation is carried out in the presence of methanol or ethanol.

In einer Ausführungsform wird folglich das in dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte 2-Pyrrolidon zu substituierten Pyrrolidonen, beispielsweise Hydroxethylypyrrolidon oder N-Methylpyrrolidon (NMP), oder Gemischen davon, umgesetzt. Vorteilhaft kann durch die Wahl der Verfahrensparameter das 2-Pyrrolidon zu einem definierten Gemisch von 2-Pyrrolidon und substituierten Pyrrolidonen, insbesondere NMP, oder nahezu vollständig zu substituierten Pyrrolidonen umgesetzt werden. Durch die Wahl der Parameter kann der Grad der Umsetzung und somit die Verteilung der Produkte in dem Produktgemisch bestimmt werden. In einer Ausführungsform wird Verbindung II in Gegenwart des Alkylierungsmittels, z.B. eines Amins wie u.a. Alkylamin oder Hydroxyalkylamin oder Alkyldiamin, umgesetzt. Je höher das molare Verhältnis des Alkylierungsmittels, beispielsweise von Alkylamin oder Hydroxyalkylamin oder Alkyldiamin zu Verbindung II ist, desto mehr Verbindung IIIb entsteht im Gemisch mit IIIa.Thus, in one embodiment, the 2-pyrrolidone produced in the process of the invention is converted to substituted pyrrolidones, for example, hydroxyethylpyrrolidone or N-methylpyrrolidone (NMP), or mixtures thereof. Advantageously, the choice of process parameters, the 2-pyrrolidone to a defined Mixture of 2-pyrrolidone and substituted pyrrolidones, in particular NMP, or almost completely converted to substituted pyrrolidones. By choosing the parameters, the degree of conversion and thus the distribution of the products in the product mixture can be determined. In one embodiment, compound II is reacted in the presence of the alkylating agent, for example an amine such as, inter alia, alkylamine or hydroxyalkylamine or alkyldiamine. The higher the molar ratio of the alkylating agent, for example of alkylamine or hydroxyalkylamine or alkyldiamine to compound II, the more compound IIIb is formed in a mixture with IIIa.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Fermentationsbrühe hergestellt durch anaerobe oder aerobe Fermentation oder einer Kombination aus aerober und anaerober Fermentation, bevorzugt durch die Fermentation von Kohlenstoffquellen, wie beispielsweise Ölen oder Alkoholen, insbesondere Glycerin, Ethanol, Methanol, L-Sorbose oder D-Sorbit, oder Zuckern, wie z.B. C6- oder C5-Zuckem, insbesondere Glucose, Saccharose, Arabinose, Xylose oder CO2, oder H2, in Reinform oder z.B. als Melasse oder Mischungen der genannten Stoffe oder deren Vorprodukten, wie z. B. Stärke, beispielsweise zusammen mit Enzymen, oder anderen möglichen kohlenstoffhaltigen Zusammensetzungen wie z. B. Cellulose, z.B. in Form von Altpapier, Holzabfällen oder Bestandteilen von stärkehaltigen Pflanzen.In one embodiment of the process according to the invention, the fermentation broth is prepared by anaerobic or aerobic fermentation or a combination of aerobic and anaerobic fermentation, preferably by the fermentation of carbon sources, such as oils or alcohols, in particular glycerol, ethanol, methanol, L-sorbose or D- Sorbitol, or sugars, such as C6 or C5 sugars, in particular glucose, sucrose, arabinose, xylose or CO 2 , or H 2 , in pure form or as a molasses or mixtures of said substances or their precursors, such as. As starch, for example, together with enzymes, or other possible carbonaceous compositions such. As cellulose, for example in the form of waste paper, wood waste or components of starchy plants.

Zur Fermentation werden beispielsweise prokaryotische oder eukaryotische Mikroorganismen verwendet, beispielsweise Bakterien, wie E. coli, Anaerobiopirillum succiniproducens, Actinobacillus succinogenes, Mannheimia succiniproducens oder andere Bakterien oder Pilze, die Bernsteinsäure produzieren.For fermentation, for example, prokaryotic or eukaryotic microorganisms are used, for example bacteria such as E. coli, Anaerobiopirillum succiniproducens, Actinobacillus succinogenes, Mannheimia succiniproducens or other bacteria or fungi that produce succinic acid.

In einer Ausführungsform wird in der Fermentation ein Mikroorganismus, beispielsweise E.coli, nach einer aeroben Wachstumsphase zur Entwicklung von Biomasse zu anaeroben Bedingungen transferiert. In dieser anaeroben Phase findet die Synthese von Succinat statt. Beide Kultivierungsschritte können insbesondere in Komplexmedium stattfinden. In einer weiteren Ausführungsform erfolgt in der Fermentation die Kultivierung des Mikroorganismus, insbesondere von E. coli, in der anaeroben Phase mit Minimalmedium. Eine weitere Ausführungsform umfasst das mehrmalige Recycling der Zellen und Durchführung der anaeroben Produktionsphase auf Komplex- oder Minimalmedium.
Die Fermentation kann sowohl in Rührfermentem, Blasensäulen und Schlaufenreaktoren durchgeführt werden. Ein ausführlicher Überblick über die möglichen Ausführungsarten inkl. Rührerformen und geometrischer Ausführungen ist in " Chmiel: Bioprozesstechnik: Einführung in die Bioverfahrenstechnik, Band 1 " zu finden. Bei der Prozessführung stehen typischerweise die folgenden, dem Fachmann bekannten oder z. B. in " Chmiel, Hammes und Bailey: Biochemical Engineering " erläuterten Varianten wie Batch, Fed-Batch, Repeated Fed-Batch oder aber auch kontinuierliche Fermentation mit und ohne Rückführung der Biomasse zur Verfügung. Je nach Produktionsstamm kann/muss eine Begasung mit Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff oder Stickstoff erfolgen, um gute Ausbeuten zu erzielen.
In one embodiment, in fermentation, a microorganism, such as E. coli, is transferred to anaerobic conditions after an aerobic growth phase to develop biomass. In this anaerobic phase, the synthesis of succinate takes place. Both cultivation steps can take place in particular in complex medium. In a further embodiment, in the fermentation, the cultivation of the microorganism, in particular E. coli, in the anaerobic phase with minimal medium. Another embodiment comprises recycling the cells several times and carrying out the anaerobic production phase on complex or minimal medium.
The fermentation can be carried out both in stirred fermenters, bubble columns and loop reactors. A detailed overview of the possible designs including stirrer shapes and geometrical designs is available in " Chmiel: Bioprocess Technology: Introduction to Bioprocess Engineering, Volume 1 In the process management are typically the following, known in the art or, for example, in " Chmiel, Hammes and Bailey: Biochemical Engineering "explained variants such as batch, fed-batch, repeated fed-batch or even continuous fermentation with and without recycling of the biomass available, depending on the production strain can / must be fumigated with oxygen, carbon dioxide, hydrogen or nitrogen to achieve good yields.

Vor der Umsetzung in der Fermentationsbrühe in dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Fermentationsbrühe vorbehandelt werden, beispielsweise kann die Biomasse der Brühe abgetrennt werden. Verfahren zur Abtrennung der Biomasse sind dem Fachmann bekannt, z.B. Filtration, Sedimentation und Flotation. Folglich kann die Biomasse beispielsweise mit Zentrifugen, Separatoren, Dekantern, Filtern oder in Flotationsapparaturen abgetrennt werden. Zur möglichst vollständigen Gewinnung des Wertproduktes empfiehlt sich oftmals ein Waschen der Biomasse, z. B. in Form einer Diafiltration. Die Wahl der Methode ist abhängig von dem Biomassenanteil in der Fermenterbrühe und den Eigenschaften der Biomasse, sowie der Interaktion der Biomasse mit dem Wertprodukt.Before the reaction in the fermentation broth in the process according to the invention, the fermentation broth can be pretreated, for example, the biomass of the broth can be separated. Methods of separating the biomass are known to those skilled in the art, e.g. Filtration, sedimentation and flotation. Consequently, the biomass can be separated, for example, with centrifuges, separators, decanters, filters or in flotation apparatus. For complete recovery of the desired product is often recommended washing the biomass, z. B. in the form of a diafiltration. The choice of method depends on the biomass fraction in the fermenter broth and the properties of the biomass, as well as the interaction of the biomass with the desired product.

Die Fermentationsbrühe kann in einer Ausführungsform sterilisiert oder pasteurisiert werden.The fermentation broth may in one embodiment be sterilized or pasteurized.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Fermentationsbrühe aufkonzentriert. Diese Aufkonzentrierung bzw. Eindampfung kann je nach Anforderung diskontinuierlich, oder kontinuierlich geschehen. Dabei sollten Druck- und Temperaturbereich so gewählt werden, dass zum einen keine Produktschädigung auftritt, zum anderen ein minimierter Einsatz von Apparaten und Energie notwendig ist. Insbesondere die geschickte Wahl der Druck- und Temperaturstufen für eine mehrstufige Verdampfung ermöglicht eine Einsparung von Energie.
Apparativ können dazu Rührkessel, Fallfilm-, Dünnschicht, Zwangsentspannungsumlauf-, und sonstige Verdampferbauarten in Natur- oder Zwangsumlauffahrweise genutzt werden.
In a further embodiment, the fermentation broth is concentrated. This concentration or evaporation can be carried out batchwise or continuously as required. The pressure and temperature range should be chosen so that on the one hand no product damage occurs, on the other hand a minimized use of equipment and energy is necessary. In particular, the clever choice of pressure and temperature levels for multi-stage evaporation allows for energy savings.
Apparatus can be used to stirred tank, falling film, thin film, Zwangsentspannungsumlauf-, and other evaporator types in natural or forced circulation.

Folglich wird unter dem Begriff "Fermentationsbrühe" eine auf einen fermentativen Prozess beruhende wässrige Lösung verstanden, die nicht oder beispielsweise wie hierin beschrieben aufgearbeitet wurde.Consequently, the term "fermentation broth" is understood to mean an aqueous solution based on a fermentative process which has not been worked up or worked up, for example, as described herein.

Je nach Wahl der Verfahrensparameter entsteht in dem erfindungsgemäßen Verfahren bei der Umsetzung und Destillation nach Schritt (b) ein Gemisch das u.a. die Produkte Bernsteinsäure, Bernsteinsäuremonoamid, Succinimid und Bernsteinsäurediamid enthält. Der Anteil der verschiedenen Produkte kann z.B. durch die Wahl der Verweilzeit, Temperatur, oder des Wasser- und Ammoniakanteils verändert werden. Die restlichen Fermentationsnebenbestandteile werden im wesentlichen bei der Destillation abgetrennt. Überraschenderweise kann das Gemisch aus Bernsteinsäure, Bemsteinsäuremonoamid, Succinimid und Bemsteinsäurediamid mit hohen Ausbeuten zu Pyrrolidonen umgesetzt werden, insbesondere zu 2-Pyrrolidon. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Reaktionsparameter der Umsetzung so gewählt werden, dass eine im wesentlichen Succinimid enthaltende Schmelze entsteht wenn die Temperatur des Destillationsaustrages über dem Schmelzpunkt, vorzugsweise auf > 130°C gehalten wird.Depending on the choice of process parameters, in the process according to the invention in the reaction and distillation after step (b), a mixture is obtained which, inter alia, contains the products succinic acid, succinic acid monoamide, succinimide and succinic acid diamide. The proportion of different products, for example, by the choice of residence time, temperature, or the water and ammonia content can be changed. The remaining fermentation by-products are essentially separated in the distillation. Surprisingly, the mixture of succinic acid, succinic acid monoamide, succinimide and succinic diamide can be reacted with high yields to pyrrolidones, in particular to 2-pyrrolidone. In one embodiment of the method according to the invention, the reaction parameters of the reaction are so be chosen that a melt containing essentially succinimide is formed when the temperature of the distillation effluent above the melting point, preferably maintained at> 130 ° C.

Das Verfahren zur Herstellung von Succinimid kann kontinuierlich oder im batch durchgeführt werden.The process for producing succinimide can be carried out continuously or in a batch.

In einem kontinuierlichen Verfahren wird das Umsetzen und Destillieren bei folgenden Bedingungen durchgeführt:

  1. (i) vorzugsweise Abtrennen der Biomasse und/oder Aufreinigen der Fermentationsbrühe;
  2. (ii) vorzugsweise Aufkonzentieren der Fermentationsbrühe;
  3. (iii) Abdestillieren der Nebenprodukte, z.B. H2O und NH3, und Umsetzung der Verbindung I in der Fermentationsbrühe bei einer Temperatur von beispielsweise ungefähr 100 bis ungefähr 300°C, mehr bevorzugt bei ungefähr 150 bis ungefähr 200°C, am meisten bevorzugt bei ungefähr 170°C, beispielsweise bei Normaldruck, bis eine Schmelze vorliegt; und
  4. (iv) vorzugsweise, Nachreagieren bei beispielsweise ungefähr 150 bis ungefähr 300°C, bevorzugt ungefähr 200 bis ungefähr 300°C, besonders bevorzugt bei ungefähr 250°C, beispielsweise für im wesentlichen weniger als ungefähr 2 h, beispielsweise für ungefähr 0,5 h bis ungefähr 1 h und beispielsweise bei Normaldruck; und
  5. (v) Abdestillieren von Verbindung II sowie ggf. Verbindung IIa und IIb, beispielsweise bei einer Temperatur von ungefähr 150°C bis 300°C, vorzugsweise bei mehr als 170°C bzw. weniger als 270°C, mehr bevorzugt bei ungefähr 220°C bis ungefähr 250°C, wobei die Temperatur natürlich neben dem Druck von der Zusammensetzung, der Nebenkomponenten und dem Abtrenngrad stark abhängt, und wobei beispielsweise bei Normaldruck oder Unterdruck, bevorzugt bei einem Druck von 0,01- bis 1000 mbar, bevorzugt 1 - 100 mbar, beispielsweise zum Abreinigen von Nebenkomponenten, erfolgt.
In a continuous process, the reaction and distillation are carried out under the following conditions:
  1. (i) preferably separating the biomass and / or purifying the fermentation broth;
  2. (ii) preferably concentrating the fermentation broth;
  3. (iii) distilling off the by-products, eg, H 2 O and NH 3 , and reacting Compound I in the fermentation broth at a temperature of, for example, about 100 to about 300 ° C, more preferably about 150 to about 200 ° C, most preferably at about 170 ° C, for example at atmospheric pressure, until a melt is present; and
  4. (iv) preferably, post-reacting at, for example, about 150 to about 300 ° C, preferably about 200 to about 300 ° C, more preferably about 250 ° C, for example substantially less than about 2 hours, for example about 0.5 hours to about 1 h and for example at atmospheric pressure; and
  5. (v) distilling off compound II and optionally compound IIa and IIb, for example at a temperature of about 150 ° C to 300 ° C, preferably at more than 170 ° C or less than 270 ° C, more preferably at about 220 ° C to about 250 ° C, the temperature of course, in addition to the pressure of the composition, the minor components and the degree of separation strongly depends, and wherein, for example, at atmospheric pressure or negative pressure, preferably at a pressure of 0.01 to 1000 mbar, preferably 1 - 100 mbar, for example, for cleaning off minor components occurs.

In einer Ausführungsform wird das Umsetzen und Destillieren batch-weise bei folgenden Bedingungen durchgeführt:

  1. (i) vorzugsweise Abtrennen der Biomasse und/oder Aufreinigen der Fermentationsbrühe;
  2. (ii) vorzugsweise Aufkonzentieren der Fermentationsbrühe;
  3. (iii) Abdestillieren der Nebenprodukte, z.B. H2O und NH3, und Umsetzen der Verbindung I bei einer Temperatur von RT bis ungefähr 300 °C, bevorzugt bei Normaldruck; und
  4. (iv) vorzugsweise, Nachreagieren bei beispielsweise ungefähr 150 bis ungefähr 300°C, bevorzugt ungefähr 200 bis ungefähr 300°C, besonders bevorzugt bei ungefähr 250°C für beispielsweise weniger als ungefähr 2 h, mehr bevorzugt für ungefähr 0,5 h bis ungefähr 1 h und beispielsweise bei Normaldruck; und
  5. (v) vorzugsweise, folgendes Überdestillieren des Reaktionsgemisches bei verringertern Druck und bei ca. 150 bis ca. 300 °C bevorzugt 170 - 250 °C, beispielsweise zum Abreinigen von Nebenkomponenten durch Destillation, besonders vorzugsweise bei einer Temperatur von beispielsweise ungefähr 185 bis ungefähr 195°C und beispielsweise bei Normaldruck oder bei Unterdruck, bevorzugt bei einem Druck von ungefähr 0,01 bis ungefähr 1000 mbar bevorzugt bei 1 - 100 mbar, besonders bevorzugt bei ungefähr 25 mbar.
In one embodiment, the reaction and distillation are carried out batchwise under the following conditions:
  1. (i) preferably separating the biomass and / or purifying the fermentation broth;
  2. (ii) preferably concentrating the fermentation broth;
  3. (iii) distilling off the by-products, eg H 2 O and NH 3 , and reacting the compound I at a temperature of from RT to about 300 ° C, preferably at normal pressure; and
  4. (iv) preferably, post-reacting at, for example, about 150 to about 300 ° C, preferably about 200 to about 300 ° C, more preferably at about 250 ° C for, for example, less than about 2 hours, more preferably for about 0.5 hours to about 1 h and for example at atmospheric pressure; and
  5. (v) preferably, then distilling off the reaction mixture at reduced pressure and at about 150 to about 300 ° C, preferably 170-250 ° C, for example for purifying minor components by distillation, more preferably at a temperature of, for example, about 185 to about 195 ° C and for example at atmospheric pressure or at reduced pressure, preferably at a pressure of about 0.01 to about 1000 mbar, preferably at 1 - 100 mbar, more preferably at about 25 mbar.

In einer Ausführungsform enthält das erfindungsgemäße Verfahren alle genannten Verfahrensschritte (i) bis (iii), insbesondere bei dem genannten Druck und bei der genannten Temperatur. Bevorzugt wird das Verfahren unter den jeweils bevorzugten Bedingungen durchgeführt.In one embodiment, the process according to the invention comprises all of the stated process steps (i) to (iii), in particular at the said pressure and at the said temperature. The process is preferably carried out under the respectively preferred conditions.

Die Reaktion nach Schritt (i) kann beispielsweise in Rührkesseln oder sonstigen Reaktoren, in verschiedenen Verdampferarten wie z. B. Fallfilmverdampfern, in einer Destillationskolonne oder in Kombinationen davon erfolgen.
Auch ein Sprühtrockner oder ein Sprühgranulator kann als Reaktiv-Trockner genutzt werden, wobei das Produkt als Feststoff vorliegt, der danach zur Aufreinigung bzw. Weiterreaktion wieder aufgeschmolzen bzw. gelöst werden muss.
The reaction after step (i) can be carried out, for example, in stirred tanks or other reactors, in different types of evaporators, such as, for example, B. falling film evaporators, in a distillation column or in combinations thereof.
A spray dryer or a spray granulator can also be used as a reactive dryer, wherein the product is present as a solid, which then has to be melted or dissolved again for purification or further reaction.

Als Nebenkomponenten werden bevorzugt Acetat, Lactat, Formiat und Medienbestanteile (z. B. Salze, Proteine, Zucker, Aminosäuren, Hefeextrakt in Schritt (iii) abgetrennt. Vorzugsweise beträgt der Anteil an Succinimid je nach Ausgangsmaterial mehr als 50 %, 60 % oder 70 %, vorzugsweise mehr als 80 %, noch mehr bevorzugt mehr als 85 %. So wird beispielsweise bei kontinuierlicher Fahrweise mit Pluriol P600 und Minimalmedium versetztem DAS eine Reinheit von 85 % oder mehr Succinimid erreicht, und bei Einsatz von Fermentationsbrühe nach Biomassenabtrennung (mit Minimalmedium fermentiert) und mit synth. DAS aufgestockt 87 % oder mehr Succinimid.Acetate, lactate, formate and media components (eg salts, proteins, sugars, amino acids, yeast extract in step (iii) are preferably removed as secondary components.) The proportion of succinimide is preferably more than 50%, 60% or 70, depending on the starting material %, preferably more than 80%, even more preferably more than 85% Thus, for example, in a continuous operation with Pluriol P600 and minimal medium added DAS a purity of 85% or more succinimide achieved, and when using fermentation broth after biomass separation (fermented with minimal medium ) and with synth. DAS increased 87% or more succinimide.

Bei batch-Fahrweise kann beim Einsatz von mit Minimalmedium aufgestocktem DAS eine Reinheit von 70 - 98 % Succinimid oder mehr erreicht werden.In the batch mode of operation, a purity of 70-98% succinimide or more can be achieved when using DAS supplemented with minimal medium.

Alternativ zur Umsetzung zu Succinimid und dessen Destillation kann das Abreinigen des Diammoniumsuccinats an Nebenkomponenten auch über eine Freisetzung der Bernsteinsäure und Kristallisation, über Membranverfahren insbesondere Elektrodialyse, über Chromatographie oder Extraktionoder anderen dem Fachmann bekannten Verfahren erreicht werden.As an alternative to the reaction to succinimide and its distillation, the purification of the diammonium succinate on secondary components can also be achieved via a release of the Succinic acid and crystallization, via membrane processes, in particular electrodialysis, via chromatography or extraction or other methods known to those skilled in the art.

In einer Ausführungsform wird der Fermentationsbrühe ein 1-50%, vorzugsweise weniger als 30% Polyalkylenglykole, wie z. B. Pluriol (Handelsname), insbesondere Pluriol P600 (Handelsname), oder Silikonöle, wie z. B. Baysilone (Handelsname) oder Paraffinöle zugegeben
Folglich betrifft in einer Ausführungsform die vorliegende Erfindung eine Zusammensetzung, beispielsweise eine Schmelze, enthaltend Verbindung II und Polyalkylenglykole, wie z. B. Pluriol (Handelsname), insbesondere Pluriol P600 (Handelsname), oder Silikonöle, wie z. B. Baysilone (Handelsname) oder Paraffinöle, beispielsweise mit Pluriol P600.
Vorzugsweise wird soviel der vorstehend bezeichneten Verbindungen verwendet, dass die Reaktion und Destillation durch ausreichende Erniedrigung der Viskosität und Erhaltung der Rührbarkeit des Reaktionsgemisches verbessert wird.
In one embodiment, the fermentation broth is a 1-50%, preferably less than 30% polyalkylene glycols, such as. Pluriol (trade name), in particular Pluriol P600 (trade name), or silicone oils, such as. B. Baysilone (trade name) or paraffin oils added
Thus, in one embodiment, the present invention relates to a composition, for example a melt, containing compound II and polyalkylene glycols, such as e.g. Pluriol (trade name), in particular Pluriol P600 (trade name), or silicone oils, such as. B. Baysilone (trade name) or paraffin oils, for example with Pluriol P600.
It is preferable to use as much of the above-described compounds as to improve the reaction and distillation by sufficiently lowering the viscosity and maintaining the stirrability of the reaction mixture.

Gerade bei der Herstellung von substituierten oder nicht-substituierten Pyrrolidonen ist die Herstellung von Succinimid aus DAS gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft, da auch bei einem nicht vollständigen Umsatz die Mischung aus DAS, Bernsteinsäuremonoamid und -diamid sowie Succinimid weiterverarbeitet werden kann. Folglich erfolgt in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Reduzierung der Verbindung II oder der Zusammensetzung enthaltend die Verbindung II und optional die Verbindungen IIa und IIb zur Verbindung III durch eine Hydrierung, beispielsweise eine katalytische Hydrierung mit Wasserstoff in Gegenwart von homogenen oder heterogenen Katalysatoren, die z.B. suspendiert oder fest angeordnet sein können, oder eine Hydrierung mit komplexen Hydriden, oder eine Transferhydrierung bei der z.B. Alkohole wie Methanol oder iso-Propanol unter Bildung von Aldehyd oder mit einem Keton, das Wasserstoff zum Hydrieren abgibt.Especially in the preparation of substituted or non-substituted pyrrolidones, the production of succinimide from DAS according to the inventive method is advantageous, since even with incomplete conversion, the mixture of DAS, succinic acid monoamide and diamide and succinimide can be further processed. Thus, in one embodiment of the process of the invention, the reduction of compound II or the composition containing compound II and optionally compounds IIa and IIb to compound III is by hydrogenation, for example catalytic hydrogenation with hydrogen in the presence of homogeneous or heterogeneous catalysts, e.g. may be suspended or fixed, or hydration with complex hydrides, or a transfer hydrogenation at the e.g. Alcohols such as methanol or iso-propanol to form aldehyde or with a ketone that releases hydrogen for hydrogenation.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Reduzierung der Verbindung II eine katalytische Hydrierung und kann in der Gas- oder der Flüssigphase durchgeführt werden.In a preferred embodiment, the reduction of the compound II is a catalytic hydrogenation and may be carried out in the gas or the liquid phase.

Als Reaktoren kommen alle für Hydrierungen übliche Typen in Frage, wie zum Beispiel batch betriebene, z.B. gerührte, oder kontinuierlich betriebene Reaktoren: Als Reaktoren können z.B. Rohrreaktoren, Rohrbündelreaktoren, Schachtreaktoren oder Wirbelbettreaktoren verwendet werden.Suitable reactors are all types customary for hydrogenations, such as, for example, batch-operated, for example stirred, or continuously operated reactors: As reactors, it is possible, for example, to use tubular reactors, tube-bundle reactors, shaft reactors or fluidized-bed reactors.

Die Hydrierung kann in einer Stufe erfolgen oder mehrstufig, z.B. mit Haupt- und Nachreaktor. Dabei wird bevorzugt der Hauptreaktor, zumindest in der Flüssigphase, mit äußerem Umlauf zur Wärmeabfuhr betrieben, der Nachreaktor bevorzugt im geraden Durchgang, um möglichst hohen Umsatz zu erreichen. Als Reaktionsdruck in der Flüssig- oder Gasphase können die unten erwähnten Drücke.eingesetzt werden.The hydrogenation can be in one step or in multiple stages, e.g. with main and secondary reactor. In this case, preferably the main reactor, at least in the liquid phase, operated with external circulation for heat removal, the secondary reactor preferably in the straight pass, in order to achieve the highest possible conversion. As the reaction pressure in the liquid or gas phase, the below-mentioned pressures can be used.

Bei der Herstellung von Pyrrolidon kann die Hydrierung unter Zusatz von Ammoniak erfolgen, es ist aber nicht notwendig. Wird Ammoniak zugesetzt, so kann die Bildung von gamma-Butyrolacton zurückgedrängt werden, was die Aufarbeitung der Reaktionsausträge erleichtert. Bezogen auf eingesetztes Edukt wird Ammoniak bis zu ungefähr 10fachen, bevorzugt bis 5fachen, besonders bevorzugt bis 2fachen molaren Überschuss eingesetzt.In the preparation of pyrrolidone, the hydrogenation can be carried out with the addition of ammonia, but it is not necessary. If ammonia is added, the formation of gamma-butyrolactone can be suppressed, which facilitates the work-up of the reaction effluents. Based on the starting material used, ammonia is used up to about 10 times, preferably up to 5 times, particularly preferably up to 2 times the molar excess.

Bei der Aufarbeitung können anfallende Produkte, die noch nicht vollständig umgesetzt sind, generell rückgeführt werden, um die Ausbeute zu erhöhen. Solche Produkte sind z.B. Imide oder Bisamide.In the work-up, products which have not yet been fully reacted can generally be recycled in order to increase the yield. Such products are e.g. Imide or bisamide.

Als Hydrierkatalysatoren können im erfindungsgemäßen Verfahren im Allgemeinen heterogene, aber auch homogene, zur Hydrierung von Carbonylgruppen geeignete Katalysatoren Verwendung finden. Sie können sowohl fest angeordnet, als auch mobil, wie z.B. in einem Wirbelbettreaktor, eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind z.B. in Houben-Weyl, Methoden der Organischen Chemie, Band IV/1c, S. 16 bis 26 , beschrieben. Von diesen Hydrierkatalysatoren sind solche bevorzugt, die ein oder mehrere Elemente der Gruppe 11, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14 und 15 des Periodensystems der Elemente, insbesondere Kupfer, Rhenium, Mangan, Kobalt, Ruthenium, Rhodium, Nickel, Palladium, Eisen, Platin, Indium, Zinn und Antimon enthalten. Besonders bevorzugt sind Katalysatoren, die Kupfer, Kobalt, Ruthenium oder Rhenium enthalten.As hydrogenation catalysts, it is generally possible to use heterogeneous but also homogeneous catalysts suitable for the hydrogenation of carbonyl groups in the process according to the invention. They can be both fixed, as well as mobile, such as used in a fluidized bed reactor. Examples of this are, for example, in Houben-Weyl, Methods of Organic Chemistry, Volume IV / 1c, pp. 16 to 26 , described. Among these hydrogenation catalysts, preferred are those containing one or more elements of Group 11, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14 and 15 of the Periodic Table of the Elements, especially copper, rhenium, manganese, cobalt, ruthenium, rhodium, nickel , Palladium, iron, platinum, indium, tin and antimony. Particularly preferred are catalysts containing copper, cobalt, ruthenium or rhenium.

Die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Katalysatoren können z.B. sogenannte Fällungskatalysatoren sein. Solche Katalysatoren können hergestellt werden, indem man ihre katalytisch aktiven Komponenten aus deren Salzlösungen, insbesondere aus den Lösungen von deren Nitraten und/oder Acetaten, beispielsweise durch Zugabe von Lösungen von Alkalimetall- und/oder Erdalkalimetallhydroxid- und/oder Carbonat-Lösungen, z.B. schwerlösliche Hydroxide, Oxydhydrate, basische Salze oder Carbonate ausfällt, die erhaltenen Niederschläge anschließend trocknet und diese dann durch Calcinierung bei im allgemeinen ungefähr 300 bis ungefähr 700°C, insbesondere ungefähr 400 bis ungefähr 600°C in die entsprechenden Oxide, Mischoxide und/oder gemischtvalentigen Oxide umwandelt, welche durch eine Behandlung mit Wasserstoff oder mit Wasserstoff enthaltenden Gasen bei in der Regel ungefähr 50 bis ungefähr 700°C, insbesondere ungefähr 100 bis ungefähr 400°C zu den betreffenden Metallen und/oder oxidischen Verbindungen niederer Oxidationsstufe reduziert und in die eigentliche, katalytisch aktive Form überführt werden. Dabei wird in der Regel so lange reduziert, bis kein Wasser mehr gebildet wird. Bei der Herstellung von Fällungskatalysatoren, die ein Trägermaterial enthalten, kann die Fällung der katalytisch aktiven Komponenten in Gegenwart des betreffenden Trägermaterials erfolgen. Die katalytisch aktiven Komponenten können vorteilhaft aber auch gleichzeitig mit dem Trägermaterial aus den betreffenden Salzlösungen gefällt werden.The catalysts used in the process according to the invention may be, for example, so-called precipitation catalysts. Such catalysts can be prepared by reacting their catalytically active components from their salt solutions, in particular from the solutions of their nitrates and / or acetates, for example by adding solutions of alkali metal and / or alkaline earth metal and / or carbonate solutions, eg sparingly soluble Hydroxide, oxyd hydrates, basic salts or carbonates precipitates, the resulting precipitates then dried and then calcined at generally about 300 to about 700 ° C, especially about 400 to about 600 ° C in the corresponding oxides, mixed oxides and / or mixed-valent oxides which is reduced by treatment with hydrogen or hydrogen-containing gases at generally about 50 to about 700 ° C, especially about 100 to about 400 ° C to the respective metals and / or oxidic compounds of low oxidation state and in the actual, catalytically active For m be transferred. This is usually so long reduced until no more water is formed. In the preparation of precipitation catalysts containing a support material, the precipitation of the catalytically active components can be carried out in the presence of the relevant support material. The catalytically active components can advantageously but also be precipitated simultaneously with the carrier material from the relevant salt solutions.

Bevorzugt werden im erfindungsgemäßen Verfahren Hydrierkatalysatoren eingesetzt, welche die die Hydrierung katalysierenden Metalle oder Metallverbindungen auf einem Trägermaterial abgeschieden enthalten. Außer den oben genannten Fällungskatalysatoren, welche außer den katalytisch aktiven Komponenten noch zusätzlich ein Trägermaterial enthalten, eignen sich für das erfindungsgemäße Verfahren im allgemeinen solche Trägermaterialien, bei denen die katalytisch-hydrierend wirkende Komponenten z.B. durch Imprägnierung auf ein Trägermaterial aufgebracht worden sind.
Die Art der Aufbringung der katalytisch aktiven Metalle auf den Träger ist in der Regel nicht kritisch und kann auf verschiedenerlei Art und Weise bewerkstelligt werden. Die katalytisch aktiven Metalle können auf diesen Trägermaterialien z.B. durch Tränkung mit Lösungen oder Suspensionen der Salze oder Oxide der betreffenden Elemente, Trocknung und anschließende Reduktion der Metallverbindungen zu den betreffenden Metallen oder Verbindungen niederer Oxidationsstufe mittels eines Reduktionsmittels, vorzugsweise mit Wasserstoff oder komplexen Hydriden, aufgebracht werden. Eine andere Möglichkeit zur Aufbringung der katalytisch aktiven Metalle auf diese Träger besteht darin, die Träger mit Lösungen thermisch leicht zersetzbarer Salze, z.B. mit Nitraten oder thermisch leicht zersetzbaren Komplexverbindungen, z.B. Carbonyl- oder Hydrido-Komplexen der katalytisch aktiven Metalle, zu imprägnieren und den so getränkten Träger zwecks thermischer Zersetzung der adsorbierten Metallverbindungen auf Temperaturen von 300 bis 600°C zu erhitzen. Diese thermische Zersetzung wird vorzugsweise unter einer Schutzgasatmosphäre vorgenommen. Geeignete Schutzgase sind z.B. Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff oder die Edelgase. Weiterhin können die katalytisch aktiven Metalle auf dem Katalysatorträger durch Aufdampfen oder durch Flammspritzen abgeschieden werden. Der Gehalt dieser Trägerkatalysatoren an den katalytisch aktiven Metallen ist prinzipiell für das Gelingen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht kritisch. Es versteht sich für den Fachmann von selbst, dass höhere Gehalte diese Trägerkatalysatoren an katalytisch aktiven Metallen zu höheren Raum-Zeit-Umsätzen führen können als niedrigere Gehalte. Im Allgemeinen werden Trägerkatalysatoren verwendet, deren Gehalt an katalytisch aktiven Metallen ungefähr 0,1 bis ungefähr 90 Gew.-%, vorzugsweise ungefähr 0,5 bis ungefähr 40 Gew.-% bezogen auf den gesamten Katalysator beträgt. Da sich diese Gehaltsangaben auf den gesamten Katalysator inklusive Trägermaterial beziehen, die unterschiedlichen Trägermaterialien jedoch sehr unterschiedliche spezifische Gewichte und spezifische Oberflächen haben, können diese Angaben aber auch unter- oder überschritten werden, ohne dass sich dies nachteilig auf das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens auswirkt. Selbstverständlich können auch mehrere der katalytisch aktiven Metalle auf dem jeweiligen Trägermaterial aufgebracht sein. Weiterhin können die katalytisch aktiven Metalle beispielsweise nach dem Verfahren von DE-A 2 519 817 , EP-A 1 477 219 und EP-A 285 420 auf den Träger aufgebracht werden. In den Katalysatoren gemäß den vorgenannten Schriften liegen die katalytisch aktiven Metalle als Legierung vor, die durch thermische Behandlung und/oder Reduktion der z.B. durch Tränkung mit einem Salz oder Komplex der zuvor genannten Metalle, erzeugt werden.
In the process according to the invention, preference is given to using hydrogenation catalysts which contain the metals or metal compounds catalyzing the hydrogenation on a carrier material. Apart from the abovementioned precipitation catalysts, which additionally contain a support material in addition to the catalytically active components, such support materials are generally suitable for the process according to the invention, in which the catalytically hydrogenating components have been applied to a support material, for example by impregnation.
The nature of the application of the catalytically active metals to the support is usually not critical and can be accomplished in various ways. The catalytically active metals can be applied to these support materials, for example by impregnation with solutions or suspensions of the salts or oxides of the elements concerned, drying and subsequent reduction of the metal compounds to the respective metals or compounds of lower oxidation state by means of a reducing agent, preferably with hydrogen or complex hydrides , Another possibility for applying the catalytically active metals to these carriers is to impregnate the carrier with solutions of thermally easily decomposable salts, for example with nitrates or thermally easily decomposable complex compounds, for example carbonyl or hydrido complexes of the catalytically active metals, and the like impregnated carrier for the purpose of thermal decomposition of the adsorbed metal compounds to temperatures of 300 to 600 ° C to heat. This thermal decomposition is preferably carried out under a protective gas atmosphere. Suitable shielding gases are, for example, nitrogen, carbon dioxide, hydrogen or the noble gases. Furthermore, the catalytically active metals can be deposited on the catalyst support by vapor deposition or by flame spraying. The content of these supported catalysts on the catalytically active metals is in principle not critical to the success of the process according to the invention. It will be understood by those skilled in the art that higher levels of these supported catalysts on catalytically active metals can result in higher space-time conversions than lower levels. In general, supported catalysts are used whose content of catalytically active metals is about 0.1 to about 90 wt .-%, preferably about 0.5 to about 40 wt .-% based on the total catalyst. Since these content data refer to the entire catalyst including carrier material, but the different carrier materials have very different specific weights and specific surface areas, these data can also be undershot or exceeded, without adversely affecting the result of the process according to the invention. Of course, several of the catalytically active metals be applied to the respective substrate. Furthermore, the catalytically active metals, for example, by the method of DE-A 2 519 817 . EP-A 1 477 219 and EP-A 285 420 be applied to the carrier. In the catalysts according to the aforementioned documents, the catalytically active metals are present as an alloy, which are produced by thermal treatment and / or reduction of, for example, by impregnation with a salt or complex of the aforementioned metals.

Sowohl die Aktivierung der Fällungskatalysatoren als auch der Trägerkatalysatoren kann auch in situ zu Beginn der Reaktion durch den anwesenden Wasserstoff erfolgen, bevorzugt werden diese Katalysatoren jedoch vor ihrer Verwendung separat aktiviert. Als Trägermaterialien können im allgemeinen die Oxide des Aluminiums und Titans, Zirkoniumdioxid, Siliciumdioxid, Tonerden, z.B. Montmorillonite, Silikate wie Magnesium- oder Aluminiumsilikate, Zeolithe wie ZSM-5 oder ZSM-10-Zeolithe, sowie Aktivkohle verwendet werden. Bevorzugte Trägermaterialien sind Aluminiumoxide, Titandioxide, Siliciumdioxid, Zirkoniumdioxid und Aktivkohle. Selbstverständlich können auch Mischungen verschiedener Trägermaterialien als Träger für im erfindungsgemäßen Verfahren anwendbaren Katalysatoren dienen.Both the activation of the precipitation catalysts and the supported catalysts can also be carried out in situ at the beginning of the reaction by the hydrogen present, but these catalysts are preferably activated separately prior to their use. As support materials, the oxides of aluminum and titanium, zirconia, silica, clays, e.g. Montmorillonite, silicates such as magnesium or aluminum silicates, zeolites such as ZSM-5 or ZSM-10 zeolites, and activated carbon can be used. Preferred support materials are aluminas, titanium dioxides, silica, zirconia and activated carbon. Of course, mixtures of different carrier materials can also serve as carriers for catalysts which can be used in the process according to the invention.

Als für im erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbaren Heterogenkatalysatoren seien die folgenden beispielhaft genannt: Kobalt auf Aktivkohle, Kobalt auf Siliciumdioxid, Kobalt auf Aluminiumoxid, Rhenium auf Aktivkohle, Rhenium auf Siliciumdioxid, Rhenium/Zinn auf Aktivkohle, Rhenium/Platin auf Aktivkohle, Kupfer auf Aktivkohle, Kupfer/Siliciumdioxid, Kupfer/Aluminiumoxid, Kupferchromit, Bariumkupferchromit, Kupfer/Aluminiumoxid/Manganoxid, Kupfer/Aluminiumoxid/Zinkoxid sowie die Katalysatoren gemäß DE-A 3 932 332 , US-A 3 449 445 , EP-A 44 444 , EP-A 147 219 , DE-A 3 904 083 , DE-A 2 321 101 , EP-A 415 202 , DE-A 2 366 264 , EP 0 552 463 und EP-A 100406 .As for heterogeneous catalysts which can be used in the process according to the invention, the following are exemplified: cobalt on activated carbon, cobalt on silica, cobalt on alumina, rhenium on activated carbon, rhenium on silica, rhenium / tin on activated carbon, rhenium / platinum on activated carbon, copper on activated carbon, copper / Silica, copper / alumina, copper chromite, barium copper chromite, copper / alumina / manganese oxide, copper / alumina / zinc oxide and the catalysts according to DE-A 3 932 332 . US Pat. No. 3,449,445 . EP-A 44 444 . EP-A 147 219 . DE-A 3 904 083 . DE-A 2 321 101 . EP-A 415 202 . DE-A 2 366 264 . EP 0 552 463 and EP-A 100406 ,

Zur Herstellung von substituierten Pyrrolidonen ausgehend von Succinimid und Diammoniumsuccinat kann die Hydrierung unter Zusatz von den entsprechenden Alkoholen oder Aminen erfolgen.For the preparation of substituted pyrrolidones starting from succinimide and diammonium succinate, the hydrogenation can be carried out with the addition of the corresponding alcohols or amines.

In einer weiteren Ausführungsform wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren 2-Pyrrolidon in einer Gasphase oder in einer flüssigen Phase alkyliert. In einer bevorzugten Ausführungsform wird 2-Pyrrolidon in der Gasphase zu einem verzweigten oder unverzweigten C1 bis C20-N-Alkylpyrrolidon oder verzweigten oder unverzweigten N-Hydroxyalkylpyrrolidon oder verzweigtem oder unverzweigtem Aminoalkylpyrrolidonalkyliert, besonders bevorzugt ist die Alkylierung zu N-Methylpyrrolidon (NMP) und N-Ethylpyrrolidon. Dabei wird Pyrrolidon bei Temperaturen von 100 bis 400 °C, bevorzugt 140 bis 370 °C, besonders bevorzugt bei 180 bis 350 °C und Drücken (absolut) zwischen 0,2 und 50 bar bevorzugt 0,7 bis 40 bar, besonders bevorzugt 0,8 bis 20 bar mit Alkoholen, Alkylaminen, Hydroxyalkylaminen oder Dialkylaminen umgesetzt. Alkohole sind bevorzugt. Das Alkylierungsmittel wird dabei bevorzugt im Überschuss zugegeben, d.h. bezogen auf Pyrrolidon 1,01 bis 10 Moläquivalente. Bevorzugt sind 1,1 bis 3 Moläquivalente. Dabei kommen Katalysatoren zum Einsatz, die saure oder basische Zentren aufweisen. Üblicherweise sind dies oxidische Katalysatoren wie z.B. Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Titanoxid oder auch gemischte Oxide wie z.B. Tonerden, Zeolithe oder dergleichen.In a further embodiment, in the process according to the invention, 2-pyrrolidone is alkylated in a gas phase or in a liquid phase. In a preferred embodiment, 2-pyrrolidone is in the gas phase to a branched or unbranched C1 to C20-N-alkylpyrrolidone or branched or unbranched N-hydroxyalkylpyrrolidone or branched or unbranched Aminoalkylpyrrolidonalkyliert, particularly preferred is the alkylation to N-methylpyrrolidone (NMP) and N -Ethylpyrrolidon. In this case, pyrrolidone at temperatures of 100 to 400 ° C, preferably 140 to 370 ° C, more preferably at 180 to 350 ° C and pressures (absolute) between 0.2 and 50 bar preferably 0.7 to 40 bar, particularly preferably 0 , 8 to 20 bar reacted with alcohols, alkylamines, hydroxyalkylamines or dialkylamines. alcohols are preferred. The alkylating agent is preferably added in excess, ie, based on pyrrolidone 1.01 to 10 molar equivalents. Preference is given to 1.1 to 3 molar equivalents. In this case catalysts are used which have acidic or basic centers. Usually, these are oxidic catalysts such as alumina, silica, titanium oxide or mixed oxides such as clays, zeolites or the like.

Um substituierte Pyrrolidone herzustellen, können insbesondere auch die weiter unten genannten Alkylierungsmittel der Hydrierung zugesetzt werden. Besonders bevorzugt wird zur Herstellung eines N-Alkyl-Pyrrolidons ein gerad- oder verzweigtkettiger C1 bis C20-Alkohol oder -Alkylamin eingesetzt, vorzugsweise ein gerad- oder verzweigtkettiger C1 bis C4-Alkohol, z.B. Methanol, Ethanol, Propanol oder Butanol, oder ein entsprechendes Amin, z.B. Methylamin, Ethylamin, Butylamin oder Propylamin. In einer Ausführungsform wird folglich in Gegenwart von Methanol oder Ethanol alkyliert.In order to prepare substituted pyrrolidones, the alkylating agents mentioned below may in particular also be added to the hydrogenation. Particularly preferred for the preparation of an N-alkyl pyrrolidone, a straight or branched chain C1 to C20 alcohol or alkylamine is used, preferably a straight or branched chain C1 to C4 alcohol, e.g. Methanol, ethanol, propanol or butanol, or a corresponding amine, e.g. Methylamine, ethylamine, butylamine or propylamine. Thus, in one embodiment, alkylation is carried out in the presence of methanol or ethanol.

Will man beispielsweise NMP herstellen, so kann in Gegenwart von Methanol oder Methylamin hydriert werden. Je höher der Überschuss an Alkylierungsmittel ist, desto höher wird der Anteil an dem entsprechenden Produkt. Sofern es nicht erwünscht ist, Gemische aus Pyrrolidon und dem entsprechenden substituierten Pyrrolidon zu erhalten, kann Pyrrolidon nach der destillativen Aufarbeitung in die Reaktion zurückgeführt werden.If you want to produce, for example, NMP, then it can be hydrogenated in the presence of methanol or methylamine. The higher the excess of alkylating agent, the higher the proportion of the corresponding product. Unless it is desired to obtain mixtures of pyrrolidone and the corresponding substituted pyrrolidone, pyrrolidone can be recycled to the reaction after the work-up by distillation.

In einer Ausführungsform wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren Succinimid zu 2-Pyrrolidon hydriert.In one embodiment, succinimide is hydrogenated to 2-pyrrolidone in the process of the invention.

In einer Ausführungsform wird die Reduzierung eine Gas- oder Flüssigphasenhydrierung, die bei folgenden Bedingungen durchgeführt wird:

  1. (i) bei einer Temperatur zwischen ungefähr 80°C und ungefähr 330°C, bevorzugt zwischen ungefähr 120°C und ungefähr 300°C, besonders bevorzugt zwischen ungefähr 150°C und ungefähr 280°C;
  2. (ii) mit einem homogenen oder heterogenen Katalysator geeignet zur Hydrierung von Carbonylgruppen, vorzugsweise eines Katalysators der ein oder mehrere Elemente der Gruppe 11, 6, 7, 8-10, 13, 14 oder 15 des Periodensystems der Elemente enthält, bevorzugt ist ein Katalysator auf Basis von Kupfer, Rhenium, Mangan, Kobalt, Ruthenium, Rhodium, Nickel, Palladium, Eisen, Platin, Indium, Zinn oder Antimon, besonders bevorzugt auf Basis von Kupfer, Kobalt, Ruthenium oder Rhenium;
  3. (iii) bei einem Druck in der Gasphase zwischen ungefähr Normaldruck und ungefähr 130bar, bevorzugt zwischen ungefähr 2 und ungefähr 100bar und besonders bevorzugt zwischen ungefähr 5 und ungefähr 60 bar oder bei einem Druck in der Flüssigphase zwischen ungefähr 20 und ungefähr 400bar, bevorzugt zwischen ungefähr 40 und ungefähr 300bar, besonders bevorzugt zwischen ungefähr 120 und ungefähr 290bar, und/oder
  4. (iv) in Abwesenheit oder in Gegenwart von Ammoniak, bevorzugt in Gegenwart eines bis zu ungefähr 10fachen Überschusses, mehr bevorzugt in Gegenwart eines bis zu ungefähr 5fachen Überschusses, besonders bevorzugt in Gegenwart eines bis zu ungefähr 2fachen Überschusses von Ammoniak bezogen auf das Edukt.
In one embodiment, the reduction is a gas or liquid phase hydrogenation which is carried out under the following conditions:
  1. (i) at a temperature between about 80 ° C and about 330 ° C, preferably between about 120 ° C and about 300 ° C, more preferably between about 150 ° C and about 280 ° C;
  2. (Ii) with a homogeneous or heterogeneous catalyst suitable for the hydrogenation of carbonyl groups, preferably a catalyst containing one or more elements of the group 11, 6, 7, 8-10, 13, 14 or 15 of the Periodic Table of the Elements, preferably a catalyst based on copper, rhenium, manganese, cobalt, ruthenium, rhodium, nickel, palladium, iron, platinum, indium, tin or antimony, particularly preferably based on copper, cobalt, ruthenium or rhenium;
  3. (iii) at a gas phase pressure between about normal pressure and about 130 bar, preferably between about 2 and about 100 bar, and more preferably between about 5 and about 60 bar or at a liquid phase pressure between about 20 and about 400bar, preferably between about 40 and about 300bar, more preferably between about 120 and about 290bar, and / or
  4. (iv) in the absence or in the presence of ammonia, preferably in the presence of an up to about 10-fold excess, more preferably in the presence of an up to about 5-fold excess, more preferably in the presence of up to about 2-fold excess of ammonia relative to the educt.

In einer Ausführungsform wird das Verfahren bei dem genannten Druck und bei der genannten Temperatur und mit dem genannten Katalysator durchgeführt. Bevorzugt wird das Verfahren unter den jeweils am meisten bevorzugten Bedingungen durchgeführt.In one embodiment, the process is carried out at said pressure and at said temperature and with said catalyst. Preferably, the process is carried out under the most preferred conditions.

Folglich erfolgt in einer Ausführungsform die Hydrierung in der Gasphase bei ungefähr 150°C bis ungefähr 280 °C und bei ungefähr 5 bis ungefähr 60 bar unter Katalyse eines Katalysators auf Basis von Kupfer, Kobalt, Ruthenium oder Rhenium und in Anwesenheit von ungefähr 1 bis ungefähr 2fachen Überschusses an Ammoniak bezogen auf das Edukt.Thus, in one embodiment, the hydrogenation is in the gas phase at about 150 ° C to about 280 ° C and at about 5 to about 60 bar with catalysis of a copper, cobalt, ruthenium, or rhenium based catalyst in the presence of about 1 to about 2-fold excess of ammonia based on the educt.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das erfindungsgemäße Verfahren folgenden Schritt: Alkylieren der Verbindung IIIa mit einem verzweigten oder unverzweigten gesättigten Kohlenwasserstoff mit 1 bis ungefähr 20 Kohlenstoffresten und 1 bis 2 OH- oder NH2-Resten, bevorzugt sind 1 oder 2 Kohlenstoffreste und 1 OH- oder NH2-Rest.In a further embodiment of the present invention, the process according to the invention comprises the following step: alkylating the compound IIIa with a branched or unbranched saturated hydrocarbon having 1 to about 20 carbon radicals and 1 to 2 OH or NH 2 radicals, preferably 1 or 2 carbon radicals and 1 OH or NH 2 radical.

Die Alkylierung kann in einer flüssigen Phase oder in einer Gasphase erfolgen.The alkylation can be carried out in a liquid phase or in a gas phase.

Beispielsweise kann das Alkylieren in der Gasphase bei folgenden Bedingungen durchgeführt wird:

  1. (i) bei einer Temperatur von ungefähr 50 bis ungefähr 600°C, bevorzugt bei ungefähr 100 bis ungefähr 500°C, besonders bevorzugt sind ungefähr 150 bis ungefähr 450°C;
  2. (ii) bei einem Druck von ungefähr Normaldruck bis ungefähr 100bar, bevorzugt sind ungefähr Normaldruck bis ungefähr 50bar, besonders bevorzugt sind ungefähr Normaldruck bis 40bar;
  3. (iii) Einsetzen der Alkylierungskomponente stöchiometrisch oder überstöchiometrisch, bevorzugt überstöchiometrisch, besonders bevorzugt in einem Verhältnis von ungefähr 1 bis ungefähr 10 Mol/Mol Pyrrolidon, besonders bevorzugt ungefähr 1 bis ungefähr 5 Mol/Mol Pyrrolidon; und
  4. (iv) Verwenden eines basischen, neutralen oder lewis- bzw. brönstedsauren Oxids oder Mischoxid oder gemischten Oxids oder eines Metalls, bevorzugt von Ruthenium, Kobalt, Nickel oder Kupfer, als Katalysator.
For example, the alkylation in the gas phase can be carried out under the following conditions:
  1. (i) at a temperature of about 50 to about 600 ° C, preferably about 100 to about 500 ° C, more preferably about 150 to about 450 ° C;
  2. (ii) at a pressure of about normal pressure to about 100 bar, preferably about normal pressure to about 50 bar, more preferably about normal pressure to 40 bar;
  3. (iii) employing the alkylating component in stoichiometric or superstoichiometric, preferably in over stoichiometric, more preferably in a ratio of from about 1 to about 10 moles / mole of pyrrolidone, more preferably from about 1 to about 5 moles / mole of pyrrolidone; and
  4. (iv) using a basic, neutral or Lewis or Bronsted acid oxide or mixed oxide or mixed oxide or a metal, preferably ruthenium, cobalt, nickel or copper, as a catalyst.

Beispielsweise kann erfindungsgemäße die Alkylierung in der flüssigen Phase bei folgenden Bedingungen durchgeführt wird:

  1. (i) bei einer Temperatur von ungefähr 50 bis ungefähr 600°C, bevorzugt bei ungefähr 100 bis ungefähr 500°C, besonders bevorzugt sind ungefähr 150 bis ungefähr 450°C;
  2. (ii) bei einem Druck von Normaldruck bis ungefähr 325bar, bevorzugt sind ungefähr 10 bis ungefähr 250bar, besonders bevorzugt sind ungefähr 20 bis ungefähr 200bar;
  3. (iii) Einsetzen der Alkylierungskomponente stöchiometrisch oder überstöchiometrisch, bevorzugt überstöchiometrisch, besonders bevorzugt in einem Verhältnis von ungefähr 1 bis ungefähr 10 Mol/Mol Pyrrolidon, besonders bevorzugt ungefähr 1 bis ungefähr 5 Mol/Mol Pyrrolidon; und
  4. (iv) Verwenden eines basischen, neutralen oder lewis- bzw. brönstedsauren Oxids oder Mischoxid oder gemischten Oxids oder eines Metalls, bevorzugt von Ruthenium, Kobalt, Nickel oder Kupfer, als Katalysator.
For example, the alkylation in the liquid phase according to the invention can be carried out under the following conditions:
  1. (i) at a temperature of about 50 to about 600 ° C, preferably about 100 to about 500 ° C, more preferably about 150 to about 450 ° C;
  2. (ii) at a pressure of from normal pressure to about 325 bar, preferably from about 10 to about 250 bar, more preferably from about 20 to about 200 bar;
  3. (iii) employing the alkylating component in stoichiometric or superstoichiometric, preferably in over stoichiometric, more preferably in a ratio of from about 1 to about 10 moles / mole of pyrrolidone, more preferably from about 1 to about 5 moles / mole of pyrrolidone; and
  4. (iv) using a basic, neutral or Lewis or Bronsted acid oxide or mixed oxide or mixed oxide or a metal, preferably ruthenium, cobalt, nickel or copper, as a catalyst.

Besonders bevorzugt wird das Alkylieren in der Flüssigphase durchgeführt.Particularly preferably, the alkylation is carried out in the liquid phase.

In einer Ausführungsform wird das Verfahren bei dem genannten Druck und bei der genannten Temperatur und mit dem genannten Katalysator durchgeführt. Bevorzugt wird das Verfahren unter den jeweils am meisten bevorzugten Bedingungen durchgeführt.In one embodiment, the process is carried out at said pressure and at said temperature and with said catalyst. Preferably, the process is carried out under the most preferred conditions.

Sofern der Umsatz bei der Alkylierung nicht vollständig ist, können die Edukte, nach destillativer Reinigung (z.B. batch oder kontin. Destillation), rückgeführt werden. Dabei werden üblicherweise Leichtsieder, wenn vorhanden, wie Wasser, Amin, Ammoniak, Alkohol in einer ersten Kolonne zuerst abgetrennt und ggf. rückgeführt, ggf wiederum nach Aufreinigung. Der verbleibende produktführende Strom wird dann, ggf. in einer weiteren Kolonne, weiter aufgetrennt, wobei, wenn vorhanden, nicht umgesetzes Pyrrolidon der Formel III abgetrennt und zurückgeführt wird.If the conversion in the alkylation is not complete, the starting materials may be recycled after purification by distillation (e.g., batch or continuous distillation). In this case, low boilers, if present, such as water, amine, ammonia, alcohol are usually first separated in a first column and optionally recycled, if necessary after purification. The remaining product-carrying stream is then further separated, optionally in a further column, wherein, if present, unreacted pyrrolidone of the formula III is separated off and recycled.

In einer Ausführungsform wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein substituiertes oder unsubstituiertes Pyrrolidon hergestellt. In einer Ausführungsform werden die genannten Schritte kombiniert, um ein N-Hydroxalkylpyrrolidon oder ein N-Alkylpyrrolidon, beispielsweise N-Methylpyrrolidon (NMP), herzustellen. In einer Ausführungsform wird ein Gemisch aus 2-Pyrrolidon und N-Methylpyrrolidon (NMP) hergestellt.In one embodiment, a substituted or unsubstituted pyrrolidone is prepared in the process of the invention. In one embodiment, said steps are combined to produce an N-hydroxyalkylpyrrolidone or an N-alkylpyrrolidone, for example N-methylpyrrolidone (NMP). In one embodiment, a mixture of 2-pyrrolidone and N-methylpyrrolidone (NMP) is prepared.

Folglich betrifft die vorliegende Erfindung in einer Ausführungsform ein Verfahren, das die folgenden Schritte enthält:

  • Fermentative Herstellung einer DAS-Lösung mit E. coli, Anaerobiopirillum succiniproducens, oder Actinobacillus succinogenes als Produktionsstamm aus Glucose.Abtrennen der Biomasse, Sterilisieren oder Pasteurisieren und Einengen der Fermentationsbrühe.
  • Ringschluss des DAS in der Lösung zu Succinimid bei gleichzeitiger Verdampfung von H2O und NH3 und Reinigung von Succinimid durch Destillation unter nahezu vollständiger Abtrennung der.bei der Hydrierung störenden Nebenkomponenten, wobei die Umsetzung und Reinigung in einem kontinuierlichen Verfahren bei folgenden Bedingungen durchgeführt wird: Abdestillieren von H2O und NH3 bei ungefähr Normaldruck bis bei ca. 150°C eine Schmelze vorliegt, die dann gegebenenfalls zur Nachreaktion weiter bis auf ungefähr 250°C aufgeheizt wird. Abreinigen von Nebenkomponenten durch Destillation bei einer Temperatur von ungefähr 190°C und bei einem Druck von ungefähr 20 bis ungefähr 30mbar. Im nächsten Schritt wird das hergestellte Succinimid und Bernsteinsäuremonoamid und/oder -diamid durch katalytische Hydrierung in der Schmelze bei ungefähr 250°C und ungefähr 250 bar in der Flüssigphase zu 2-Pyrrolidon umgesetzt mit einem homogenen oder heterogenen Katalysator geeignet zur Hydrierung von Carbonylgruppen, vorzugsweise auf Basis von Kupfer, Kobalt, Ruthenium oder Rhenium; in Gegenwart eines bis zu ungefähr 2fachen Überschusses von Ammoniak bezogen auf das Edukt. Im nächsten Schritt kann das hergestellte 2-Pyrrolidon in der Gasphase bei einer Temperatur von ungefähr 150 bis ungefähr 450°C; bei einem Druck von Normaldruck bis ungefähr 6 bar, mit Methanol in einem Verhältnis von mehr als 1 bis ungefähr 5 Mol/Mol Pyrrolidon; unter Katalyse eines oxidischen Katalysators, z.B. enthaltend Ruthenium, Kobalt, Nickel, Kupfer oder kein Metallzusatz, zu N-Methylpyrrilidon alykliert werde.
    Figure imgb0007
Thus, in one embodiment, the present invention relates to a process comprising the following steps:
  • Fermentative production of a DAS solution with E. coli, Anaerobiopirillum succiniproducens, or Actinobacillus succinogenes as production strain from glucose. Separation biomass, sterilizing or pasteurizing and concentrating the fermentation broth.
  • Ring closure of the DAS in the solution to succinimide with simultaneous evaporation of H 2 O and NH 3 and purification of succinimide by distillation with almost complete separation of .the hydrogenation disturbing minor components, the reaction and purification is carried out in a continuous process under the following conditions : Distilling off of H 2 O and NH 3 at about atmospheric pressure until at about 150 ° C, a melt is present, which is then optionally further heated to about after reaction to about 250 ° C. Purifying minor components by distillation at a temperature of about 190 ° C and at a pressure of about 20 to about 30 mbar. In the next step, the produced succinimide and succinic acid monoamide and / or diamide are converted by catalytic hydrogenation in the melt at about 250 ° C and about 250 bar in the liquid phase to 2-pyrrolidone with a homogeneous or heterogeneous catalyst suitable for the hydrogenation of carbonyl groups, preferably based on copper, cobalt, ruthenium or rhenium; in the presence of an up to about 2-fold excess of ammonia based on the educt. In the next step, the produced 2-pyrrolidone in the gas phase at a temperature of about 150 to about 450 ° C; at a pressure of normal pressure to about 6 bar, with methanol in a ratio of more than 1 to about 5 mol / mol of pyrrolidone; catalysed by an oxidic catalyst, eg containing ruthenium, cobalt, nickel, copper or no added metal, to give N-methylpyrrilidone.
    Figure imgb0007

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung und sollen nicht beschränkend interpretiert werden.The following examples illustrate the invention and are not intended to be limiting.

Beispiele:Examples: Beispiel 1: Fermentative Herstellung von Bernsteinsäure [Example 1 Fermentative Production of Succinic Acid

Medien und Kultivierungsbedingungen: Vemuri, Eiteman und Altman, 2002, ergänzt wurde Ampicillin im Medium und das pH-Korrekturmittel NH4OHMedia and Culture Conditions: Vemuri, Eiteman and Altman, 2002, added ampicillin in the medium and the pH correcting agent NH4OH

1.1 Bereitung von "master"-Zellbank und Arbeitszellbank1.1 Preparation of "master" cell bank and working cell bank

Eine Probe des Succinatproduktionsstamms wird auf LB+Glucose-Agar ausgestrichen und für 20 Stunden bei 37 °C inkubiert und dann bei +4°C aufbewahrt. Ausgewählte Kolonien werden dann in LB+Glucose-Flüssigmedium weiter vermehrt. LB+Glucose-Flüssigmedium hat folgende Zusammensetzung: 10 g/l Tryptone, 5 g/l Hefeextrakt, 10 g/l NaCl und 10 g/l Glucose. LB+Glucose-Agar enthält zusätzlich 15 g/l Agar. Vorgefertigte Zubereitungen können von der Firma Becton Dickinson GmbH, Heidelberg als Bacto LB Broth, Miller oder Bacto LB-Agar, Miller bezogen werden. Nach Zusatz von 10 g/l Glucose erhält man die angegebenen Medien. Kulturen von 20 ml, die in 100 mL-Erlenmeyerkolben enthalten waren, werden für 15 Stunden bei 37°C und 180 rpm auf einem Schüttelinkubator (Firma Infors, Typ Multitron) inkubiert. Anschließend wird die Zellsuspension mit einer Laborzentrifuge (Firma Heraeus, Typ Biofuge Primo R; Rotor #7590, 50mL Greiner PP-Zentrifugenröhrchen, steril) für 15 Minuten bei 8500 rpm abzentrifugiert. Das Zellpellet wird in 10 mL sterilem LB+Glucose-Flüssigmedium, das mit 20 % Glycerin supplementiert ist, resuspendiert. Die resultierende Zellsuspension wird unter sterilen Bedingungen in Aliquots zu 1 ml abgefüllt und bei -70°C gelagert. Diese Kulturen werden als "master"-Zellbank (master cell bank) verwendet. Zur Herstellung einer Arbeitszellbank (working cell bank) wird steriles LB+Glucose-Flüssigmedium unter sterilen Bedingungen in 20 ml-Portionen in sterile 100 ml-Erlenmeyerkolben verteilt. Anschließend werden diese Kolben unter sterilen Bedingungen mit 100 µl der oben beschriebenen "master"-Zellbank Inokuliert. Die Inkubation erfolgt für 15 Stunden bei 37 °C und 180 rpm auf einem Schüttelinkubator (Firma Infors, Typ Multitron). Anschließend wird die Zellsuspension mit einer Laborzentrifuge (Firma Heraeus, Typ Biofuge Primo R; Rotor #7590, 50mL Greiner PP-Zentrifugenröhrchen, steril) für 15 Minuten bei 8500 rpm abzentrifugiert. Das Zellpellet wird in 10 mL sterilem LB+Glucose-Flüssigmedium, das mit 20 % Glycerin supplementiert ist, resuspendiert. Die resultierende Zellsuspension wird unter sterilen Bedingungen in Aliquots zu 1 ml abgefüllt und bei -70°C gelagert. Diese Kulturen werden als Arbeitszellbank (working cell bank) verwendet.A sample of the succinate production strain is streaked on LB + glucose agar and incubated for 20 hours at 37 ° C and then stored at + 4 ° C. Selected colonies are then further propagated in LB + glucose liquid medium. LB + glucose liquid medium has the following composition: 10 g / l tryptone, 5 g / l yeast extract, 10 g / l NaCl and 10 g / l glucose. LB + glucose agar contains an additional 15 g / l agar. Prefabricated preparations may be purchased from Becton Dickinson GmbH, Heidelberg as Bacto LB Broth, Miller or Bacto LB Agar, Miller. After addition of 10 g / l of glucose gives the specified media. 20 ml cultures contained in 100 ml Erlenmeyer flasks are incubated for 15 hours at 37 ° C. and 180 rpm on a shaking incubator (Infors, type Multitron). The cell suspension is then centrifuged off for 15 minutes at 8500 rpm using a laboratory centrifuge (Heraeus, type Biofuge Primo R, rotor # 7590, 50 ml Greiner PP centrifuge tube, sterile). The cell pellet is resuspended in 10 mL of sterile LB + glucose liquid medium supplemented with 20% glycerol. The resulting cell suspension is filled under sterile conditions in aliquots to 1 ml and stored at -70 ° C. These cultures are used as a master cell bank. To prepare a working cell bank, sterile LB + glucose liquid medium is distributed under sterile conditions in 20 ml portions into sterile 100 ml Erlenmeyer flasks. Subsequently, these flasks are inoculated under sterile conditions with 100 μl of the "master" cell bank described above. The incubation is carried out for 15 hours at 37 ° C and 180 rpm on a shaking incubator (Infors, type Multitron). The cell suspension is then centrifuged off for 15 minutes at 8500 rpm using a laboratory centrifuge (Heraeus, type Biofuge Primo R, rotor # 7590, 50 ml Greiner PP centrifuge tube, sterile). The cell pellet is resuspended in 10 mL of sterile LB + glucose liquid medium supplemented with 20% glycerol. The resulting cell suspension is filled under sterile conditions in aliquots to 1 ml and stored at -70 ° C. These cultures are used as a working cell bank.

1.2 Herstellung einer Succinat-haltigen Fermentationsbrühe1.2 Preparation of a succinate-containing fermentation broth

Ein 1,0 ml-Aliquot der Arbeitszellbank (working cell bank) des Succinatproduktionsstamms wird dem Gefrierfach entnommen und 10 Minuten bei Raumtemperatur gelagert. 100 µl davon werden steril entnommen und auf einer LB+Glucose-Agarplatte mit einer Impföse steril verteilt. Nach Inkubation für 20 Stunden bei 37°C wird der Platte Zellmaterial steril entnommen und zur Inokulation der Vorkulturkolben (2000 ml-Rundkolben mit 4 Schikanen, die 300 ml Vorkulturmedium enthalten) verwendet. Die Vorkulturkolben werden für sechs Stunden bei 37 °C und 110 rpm auf einem Inkubationsschüttler (Firma Infors, Typ Multitron) inkubiert.
Für den Start der Hauptkultur werden 3,5 I Batchmedium mit 250 ml der Vorkultur beimpft. Die Kultivierung erfolgt für 120 h bei 37 °C in einem gerührten 5 I-Bioreaktor (Firma Infors, Typ ISF 100) mit einem 6-Blattscheibenrührer und vier Strombrechem, pH- und pO2-Elektroden. Innerhalb der ersten 5,5 h (aeorbe Wachstumsphase) erfolgt die Kultivierung bei einer konstanten Drehzahl von 900 rpm und Begasung mit steriler Luft (3,0 l/min), danach wird auf 250 rpm und Begasung mit sterilem CO2-Gas (0,18 l/min) umgestellt. Der pH-Wert wird zu Beginn mit 20 % NaOH-Lösung und 20 % HCl-Lösung auf 7,0 geregelt. Ab 5,5 h wird statt NaOH-Lösung 25 % NH4OH-Lösung verwendet und auf pH 6,8 geregelt: Die Dosierung des Feed-Mediums erfolgt nach einem festgelegten Dosierprofil, das gewährleistet, dass die Glucosekonzentration in der Fermentationsbrühe immer zwischen 10 und 30 g/l liegt. Für die Feed-Dosierung werden eine Waage (Firma Satorius, Typ LP6200S), ein Dosiermodul (Firma Satorius, Typ YFC02Z-V2) und eine Pumpe (Firma Meredos, Typ HP60) eingesetzt. Während der Kultivierung wird der Verlauf der optischen Dichte bei einer Messwellenlänge von
600 nm (OD600) mit dem Photometer (Firma Pharmacia Biotech, Typ Ultrospec 2000) bestimmt. Die Konzentrationen an Glucose und Succinat im zellfreien Überstand (Filtration der Kulturbrühe mit Spritzen Fa. Braun, Injekt 2mL sowie Spritzenvorsatzfilter Fa. Millipore, Typ Millipore GP; ∅
33mm; 0,22µm Porenweite; PES-Express-Membran) werden mittels HPLC (stationäre Phase: Aminex HPX-87 H, 300 x 7,8 mm [Firma Biorad], mobile Phase: 5 mM H2SO4, RI-Detektion) quantifiziert.
Am Ende der Kultivierung wird die Fermentationsbrühe in 3 I-Erlenmeyerkolben abgelassen und für 20 Minuten bei 121 °C im Autoklav sterilisiert.
Vorzugsweise wird vor der weiteren Verarbeitung die Biomasse abgetrennt, beispielsweise mittels Laborzentrifuge.
A 1.0 ml aliquot of the working cell bank of the succinate production strain is removed from the freezer and stored for 10 minutes at room temperature. 100 .mu.l are taken sterile and distributed sterile on an LB + glucose agar plate with a Impföse. After incubation for 20 hours at 37 ° C, cell plate material is sterile removed from the plate and used to inoculate the preculture flasks (2000 ml round bottom flasks with 4 baffles containing 300 ml preculture medium). The preculture flasks are incubated for six hours at 37 ° C. and 110 rpm on an incubation shaker (company Infors, type Multitron).
For the start of the main culture, 3.5 l of batch medium are inoculated with 250 ml of the preculture. The cultivation is carried out for 120 h at 37 ° C in a stirred 5 l bioreactor (Infors, type ISF 100) with a 6-Blattscheibenührührer and four Strombrechem, pH and pO 2 electrodes. Within the first 5.5 h (aeorbe growth phase), the cultivation is carried out at a constant speed of 900 rpm and aeration with sterile air (3.0 l / min), then to 250 rpm and gassing with sterile CO 2 gas (0 , 18 l / min). The pH is initially controlled to 7.0 with 20% NaOH solution and 20% HCl solution. From 5.5 h, 25% NH4OH solution is used instead of NaOH solution and controlled to pH 6.8: The feed medium is metered according to a predetermined metering profile, which ensures that the glucose concentration in the fermentation broth is always between 10 and 30 g / l lies. For feed dosing, a balance (company Satorius, type LP6200S), a dosing module (company Satorius, type YFC02Z-V2) and a pump (company Meredos, type HP60) are used. During cultivation, the optical density curve at a measurement wavelength of
600 nm (OD 600 ) with the photometer (Pharmacia Biotech, type Ultrospec 2000). The concentrations of glucose and succinate in the cell-free supernatant (filtration of the culture broth with syringes Braun Co., Injekt 2mL and syringe filters Millipore Millipore GP, ∅
33mm; 0.22 μm pore size; PES-Express membrane) are quantitated by HPLC (stationary phase: Aminex HPX-87H, 300 x 7.8 mm [Biorad], mobile phase: 5 mM H2SO4, RI detection).
At the end of the cultivation, the fermentation broth is drained into 3 l Erlenmeyer flasks and autoclaved for 20 minutes at 121 ° C.
Preferably, the biomass is separated before further processing, for example by means of laboratory centrifuge.

Das Vorkulturmedium enthält die in Tabelle 2 angegebenen Bestandteile. Zur Herstellung des Vorkulturmediums werden 22,0 g Glucose-Monohydrat, 10,0 g Yeast Extract, 20,0 g Tryptone, 0,9 g K2HPO4x3H2O, 1,14 g KH2PO4, 0,25 g CaCl2x2H2O, 3,0 g (NH4)2SO4, 0,5 g MgSO4x7H2O, 20 ml einer Biotin-Lösung (50 mg/l, VE-Wasser als Lösungsmittel) und 1 ml einer Thiamin-Lösung (1 g/l, VE-Wasser als Lösungsmittel) 0,95 Liter vollentsalztem (VE-) Wasser zugesetzt. Unter Rühren wird der pH-Wert mit 2 N NaOH-Lösung auf 7,0 eingestellt, anschließend mit VE-Wasser auf 1,0 Liter aufgefüllt. Die Sterilisation erfolgt durch Sterilfiltration über Stericups mit Millipore Express PLUS Membran mit 0,22 µm Porenweite (Fima Millipore). Tabelle 2: Vorkulturmedium Medienbestandteil Konzentration Glucose-Monohydrat 22,0 g/l Yeast Extract 10,0 g/l Tryptone 20,0 g/l K2HPO4x3H2O 0,9 g/l KH2PO4 1,14 g/l CaCl2x2H2O 0,25 g/l (NH4)2SO4 3,0 g/l MgSO4x7H2O 0,5 g/l Biotin 1,0 mg/l Thiamin 1,0 mg/l The preculture medium contains the ingredients given in Table 2. To prepare the preculture medium, 22.0 g of glucose monohydrate, 10.0 g of Yeast Extract, 20.0 g of tryptone, 0.9 g of K 2 HPO 4 .3H 2 O, 1.14 g of KH 2 PO 4 , 0.25 g CaCl 2 .2H 2 O, 3.0 g (NH 4 ) 2 SO 4 , 0.5 g MgSO 4 .7H 2 O, 20 ml of a biotin solution (50 mg / l, deionized water as solvent) and 1 ml a thiamine solution (1 g / l, deionized water as solvent) added 0.95 liters of demineralized (demineralised) water. While stirring, the pH with 2 N NaOH solution adjusted to 7.0, then made up to 1.0 liter with deionized water. Sterilization is performed by sterile filtration through Stericups with Millipore Express PLUS membrane of 0.22 μm pore size (Fima Millipore). <b> Table 2: Pre-culture medium </ b> Media component concentration Glucose monohydrate 22.0 g / l Yeast Extract 10.0 g / l Tryptone 20.0 g / l K 2 HPO 4 x3H 2 O 0.9 g / l KH 2 PO 4 1.14 g / l CaCl 2 O 2 X2h 0.25 g / l (NH 4 ) 2 SO 4 3.0 g / l MgSO 4 × 7H 2 O 0.5 g / l biotin 1.0 mg / l thiamine 1.0 mg / l

Das Batchmedium für die Hauptkultur enthält die in Tabelle 3 angegebenen Bestandteile. Zur Herstellung des Batchmediums werden 154,0 g Glucose-Monohydrat, 35,0 g Yeast Extract, 70,0 g Tryptone, 3,15 g K2HPO4x3H2O, 3,99 g KH2PO4, 0,88 g CaCl2x2H2O, 10,5 g (NH4)2SO4, 1,75 g MgSO4x7H2O, 70 ml einer Biotin-Lösung (50 mg/l, VE-Wasser als Lösungsmittel) und 3,5 ml einer Thiamin-Lösung (1 g/l, VE-Wasser als Lösungsmittel) 3,30 Liter vollentsalztem (VE-) Wasser zugesetzt. Unter Rühren wird der pH-Wert mit 2 N NaOH-Lösung auf 7,0 eingestellt, anschließend mit VE-Wasser auf 3,5 Liter aufgefüllt. Die Sterilisation erfolgt durch Sterilfiltration über Stericups mit Millipore Express PLUS Membran mit 0,22 µm Porenweite (Fima Millipore). Tabelle 3: Batchmedium für die Hauptkultur Medienbestandteil Konzentration Glucose-Monohydrat 44,0 g/l Yeast Extract 10,0 g/l Tryptone 20,0 g/l K2HPO4x3H2O 0,9 g/l KH2PO4 1,14 g/l CaCl2x2H2O 0,25 g/l (NH4)2SO4 3,0 g/l MgSO4x7H2O 0,5 g/l Biotin 1,0 mg/l Thiamin 1,0 mg/l The main culture batch medium contains the ingredients listed in Table 3. 154.0 g of glucose monohydrate, 35.0 g of Yeast Extract, 70.0 g of tryptone, 3.15 g of K 2 HPO 4 .3H 2 O, 3.99 g of KH 2 PO 4 , 0.88 are used to prepare the batch medium g CaCl 2 .2H 2 O, 10.5 g (NH 4 ) 2 SO 4 , 1.75 g MgSO 4 .7H 2 O, 70 ml of a biotin solution (50 mg / l, deionized water as solvent) and 3, Add 5 ml of a thiamine solution (1 g / l, deionized water as solvent) to 3.30 liters of deionised (demineralised) water. While stirring, the pH is adjusted to 7.0 with 2N NaOH solution, then made up to 3.5 liters with deionised water. Sterilization is performed by sterile filtration through Stericups with Millipore Express PLUS membrane of 0.22 μm pore size (Fima Millipore). <b> Table 3: Main Culture Batch Medium </ b> Media component concentration Glucose monohydrate 44.0 g / l Yeast Extract 10.0 g / l Tryptone 20.0 g / l K 2 HPO 4 x3H 2 O 0.9 g / l KH 2 PO 4 1.14 g / l CaCl 2 O 2 X2h 0.25 g / l (NH 4 ) 2 SO 4 3.0 g / l MgSO 4 × 7H 2 O 0.5 g / l biotin 1.0 mg / l thiamine 1.0 mg / l

Für die Herstellung des Feedmediums für die Hauptkultur werden 550 g Glucose-Monohydrat in 1 Liter VE-Wasser gelöst. Die Sterilisation erfolgt durch Sterilfiltration über Stericups mit Millipore Express PLUS Membran mit 0,22 µm Porenweite (Firma Millipore).For the production of the feed medium for the main culture 550 g of glucose monohydrate are dissolved in 1 liter of deionized water. The sterilization is carried out by sterile filtration through Stericups with Millipore Express PLUS membrane with 0.22 micron pore size (Millipore).

Beispiel 2: Reaktivdestillation von DAS zu SuccinimidExample 2: Reactive distillation of DAS to succinimide

  • 2.1 1030 g Fermentationsbrühe mit ca. 13 g/l Diammoniumsuccinat (= DAS) wurden mit 58,5 g ca. 95%igem synthetischem Diammoniumsuccinat aufgestockt. Die Trockenmasse der Fermenterbrühe betrug ca. 7 % [hier ist die Biomasse nicht abgetrennt].
    Die aufgestockte Fermentationsbrühe wurde in einem 2 I-Kolben am Rotationsverdampfer eingeengt. Nach dem Einengen blieb eine Schmelze von ca. 150 ml übrig, die in einen 500 ml Vierhalskolben mit PTFE-Rührer, Thermometer, Heizpilz und Brücke überführt wurde. Bei Normaltemperatur wurde 5 Stunden bei 175°C destilliert, danach wurde die Temperatur auf 250°C Sumpftemperatur gesteigert und dort ca. 45 Minuten gehalten. Danach wurde der Druck auf ca. 25 bar verringert und 26,7 g Produkt bei einer Übergangstemperatur von 172 bis 182°C überdestilliert.
    Das Produkt enthielt 88 % Succinimid. Bernsteinsäure, Monoamid oder Diamid wurden nicht detektiert.
    2.1 1030 g of fermentation broth containing about 13 g / l of diammonium succinate (= DAS) were supplemented with 58.5 g of about 95% synthetic diammonium succinate. The dry matter of the fermenter broth was about 7% [here the biomass is not separated].
    The spiked fermentation broth was concentrated in a 2 l flask on a rotary evaporator. After concentration, a melt of about 150 ml remained, which was transferred to a 500 ml four-necked flask with PTFE stirrer, thermometer, heater and bridge. At normal temperature was distilled for 5 hours at 175 ° C, then the temperature was increased to 250 ° C bottom temperature and held there for about 45 minutes. Thereafter, the pressure was reduced to about 25 bar and 26.7 g of product distilled over at a transition temperature of 172 to 182 ° C.
    The product contained 88% succinimide. Succinic acid, monoamide or diamide were not detected.
  • 2.2 Zu 1450 g Fermenterbrühe mit ca. 30 g/l DAS wurden ca. 120 g synthetisches DAS mit einer Reinheit von ca. 88 % und 101 g Pluriol P600 zugesetzt.
    Die Fermenterbrühe wurde zusammen mit dem Pluriol am Rotationsverdampfer eingeengt. Es wurden 317 g Destillationsaustrag in einen beheizten Tropftrichter auf einem 500-ml-Vierhalskolben mit Heizpilz, Thermometer und Feststoffdestillationsbrücke umgefüllt. Im Vierhalskolben wurden 100 g Pluriol P600 vorgelegt. Das Pluriol wurde auf 240 bis 250°C vorgeheizt. Die eingeengte Fermenterbrühe wurde in den beheizten Kolben getropft und gleichzeitig unter Vakuum (35 mbar) bei einer allmählich auf 310°C steigenden Sumpftemperatur 23 g Produkt abdestilliert.
    Das Produkt enthielt 64 % Succinimid, ca. 4 % Monoamid und ca. 20 % Bernsteinsäure bzw. DAS.
    2.2 To 1450 g of fermenter broth containing about 30 g / l of DAS, about 120 g of synthetic DAS having a purity of about 88% and 101 g of Pluriol P600 were added.
    The fermenter broth was concentrated together with the pluriol on a rotary evaporator. There were 317 g of distillation effluent in a heated dropping funnel transferred to a 500 ml four-necked flask with heating pad, thermometer and solids distillation bridge. The four-necked flask was charged with 100 g of Pluriol P600. The Pluriol was preheated to 240-250 ° C. The concentrated fermenter broth was added dropwise to the heated flask and simultaneously distilled off under vacuum (35 mbar) at a bottom temperature gradually rising to 310 ° C 23 g product.
    The product contained 64% succinimide, about 4% monoamide and about 20% succinic acid or DAS.
  • 2.3 Es wurde 684 g 25%iges Ammoniakwasser in einen 2000-ml-Zweihalskolben mit PTFE-Rührer vorgelegt. Dann wurde innerhalb von 10 Minuten bei max. 30°C ca. 600 g Bernsteinsäure zugegeben (Kühlung mit Trockeneis). Es wurde 1 Stunde gerührt bis die gesamte Bernsteinsäure gelöst war. Danach wurde der pH-Wert mit Ammoniakwasser auf pH 7 eingestellt. Es wurde das Minimalmedium zur Reaktionslösung gegeben und dann das Reaktionsgemisch am Rotationsverdampfer eingeengt. Der Rückstand wurde in einen 2000 ml Vierhalskolben mit PTFE-Rührer, Thermometer, Heizpilz und Destillationsbrücke umgefüllt. Die Reaktionsmischung wurde bei Normaldruck allmählich auf eine Sumpftemperatur von 250°C aufgeheizt und zunächst Wasser abdestilliert. Der Ansatz wurde noch eine weitere Stunde bei 250°C gerührt. Dann wurde der Sumpf auf 170°C abgekühlt und Vakuum angelegt. Bei 26 mbar und einer Übergangstemperatur von 179 bis 185°C wurden 486 g Produkt abdestilliert. Das Produkt enthielt 92 % Succinimid. Diamid, Monoamid oder Bernsteinsäure wurden als Nebenprodukte nicht detektiert.2.3 684 g of 25% ammonia water were introduced into a 2000 ml two-necked flask with PTFE stirrer. Then within 10 minutes at max. 30 ° C about 600 g of succinic acid added (cooling with dry ice). It was stirred for 1 hour until all succinic acid was dissolved. Thereafter, the pH was adjusted to pH 7 with ammonia water. The minimal medium was added to the reaction solution and then the reaction mixture was concentrated on a rotary evaporator. The residue was transferred to a 2000 ml four-necked flask equipped with PTFE stirrer, thermometer, heating pad and distillation bridge. The reaction mixture was heated at normal pressure gradually to a bottom temperature of 250 ° C and initially distilled off water. The mixture was stirred for a further hour at 250 ° C. Then the sump was cooled to 170 ° C and vacuum applied. At 26 mbar and a transition temperature of 179 to 185 ° C, 486 g of product were distilled off. The product contained 92% succinimide. Diamide, monoamide or succinic acid were not detected as by-products.

In einer Versuchsvariante wurde die Umsetzung von DAS zum Succinimid in einem Dünnschichtverdampfer durchgeführt. Es wurde eine 10- oder 50 %ige synthetische DAS-Lösung eingesetzt und zweistufig über den Dünnschichtverdampfer gefahren. In der ersten Stufe wurde unter Normaldruck Wasser und Ammoniak abdestilliert. Die teilumgesetzte Schmelze lief in den Sumpf. Danach wurde der Sumpf ca. eine Stunde bei 250 °C zur Vervollständigung der Reaktion von DAS zu Succinimid erhitzt. Im zweiten Schritt wurde der Sumpf über den Dünnschichtverdampfer gefahren und das Succinimid über Kopf abdestilliert. Die Manteltemperatur betrug 230 °C bei einem Druck von ca. 30 mbar. Der Zusatz von Pluriol E600 als Sumpfverdünner hat keinen Einfluss auf das Ergebnis der Succinimiddestillation in der zweiten Stufe.
Die Manteltemperatur für den Dünnschichtverdampfer lag für eine 50 %ige DAS-Lösung bei einer Zulaufgeschwindigkeit von 500 l/h bei 170 °C und für eine 10 %ige Lösung bei einer Zulaufgeschwindigkeit von einem Liter pro Stunde bei 220 °C.
In one experimental variant, the conversion of DAS to succinimide was carried out in a thin-film evaporator. A 10 or 50% synthetic DAS solution was used and passed over the thin-film evaporator in two stages. In the first stage, water and ammonia were distilled off under atmospheric pressure. The partially reacted melt ran into the sump. Thereafter, the bottoms were heated at 250 ° C for about one hour to complete the reaction of DAS to succinimide. In the second step, the bottom was run over the thin-film evaporator and the succinimide distilled off overhead. The jacket temperature was 230 ° C at a pressure of about 30 mbar. The addition of Pluriol E600 as bottom thinner does not affect the result of succinimide distillation in the second stage.
The jacket temperature for the thin-film evaporator was 170 ° C. for a 50% DAS solution at a feed rate of 500 l / h and for a 10% solution at a feed rate of one liter per hour at 220 ° C.

Die beschriebene Reaktion wurde neben synthetischem DAS auch für DAS in Minimalmedium und für einen mit DAS aufgestockten Fermenteraustrag durchgeführt: Für ein besseres Handling wurden die teilumgesetzten Succinimidschmelzen jeweils mit Pluriol E600 gemischt. Die Ergebnisse der Versuche sind in Tab. 4 zusammengefasst. Tab. 4: Versuchsergebnisse der Dünnschichtverdampfer -Versuche Einsatz Gehalt Succinimid [Gew. %] Synth DAS 97 Synth DAS + Minimalm. + PI. 85 Synth DAS + Fermenter + PI. 87 The reaction described was carried out in addition to synthetic DAS also for DAS in minimal medium and for a fermenter discharge supplemented with DAS: For better handling, the partially reacted succinimide melts were each mixed with Pluriol E600. The results of the experiments are summarized in Tab. <B> Table. 4 </ b>: Test results of the thin-film evaporator experiments commitment Content Succinimide [wt. %] Synth DAS 97 Synth DAS + Minimalm. + PI. 85 Synth DAS + Fermenter + PI. 87

Beispiel 3: HydrierungExample 3: Hydrogenation

Der in allen Beispielen verwendete Katalysator war vor seinem Einsatz im Wasserstoffstrom aktiviert worden und hatte vor der Wasserstoffaktivierung folgende Zusammensetzung: 63,4 % CoO, 18,1 % CuO, 6,8 % Mn3O4, 3,1 % MoO3, 0,15 % N2O, 3,3 % H3PO4, der zu 100 % fehlende Rest ist Wasser. Die Katalysatorherstellung ist beispielsweise in DE-A 2 321 101 bzw. DE-A 3 904 083 beschrieben.The catalyst used in all examples had been activated prior to its use in a hydrogen stream and before hydrogen activation had the following composition: 63.4% CoO, 18.1% CuO, 6.8% Mn3O4, 3.1% MoO3, 0.15% N2O, 3.3% H3PO4, which is 100% missing water. The catalyst preparation is for example in DE-A 2 321 101 respectively. DE-A 3 904 083 described.

3.1 Herstellung von Succinimid und dessen Hydrierung3.1 Preparation of succinimide and its hydrogenation

50 g/h einer 15 %igen wässrigen Diammoniumsuccinat-Lösung wurden 10 h lang in einem Dünnschichtverdampfer bei 200°C und Normaldruck in eine Destillatfraktion, die überwiegend Wasser enthielt (ca. 30 g/h) und ein Sumpfprodukt, das überwiegend das Succinat enthielt aufgetrennt. Das Sumpfprodukt wurde als Schmelze mit einer Zulauftemperatur von ca. 120°C wiederum in einem Dünnschichtverdampfer diesmal bei 250°C und 50 mbar umgesetzt (Zulauf ca. 40 g/h). Als Destillat (ca. 13 g/h) wurde überwiegend Succinimid mit geringen Gehalten an Wasser und Ammoniak erhalten. Das Sumpfprodukt enthielt neben Succinimid die Verunreinigungen aus der ursprünglichen Diammoniumsuccinat-Lösung. Insgesamt wurden ca. 65 g Succinimid erhalten, die in einem Autoklaven an 10 g Katalysator in Gegenwart von 40 ml 25%iger wässriger Ammoniaklösung innerhalb von 24 h hydriert wurden. Im Reaktionsaustrag wurde Pyrrolidon mittels quantitativer gaschromatographischer Analyse mit 95%iger Ausbeute gefunden. Daneben lagen noch ca. 2 % Succinimid, < 0,1 % gamma Butyrolacton, 1 % Pyrrolidin sowie eine Vielzahl, mengenmäßig unbedeutsamer Produkte vor.50 g / h of a 15% aqueous solution of diammonium succinate were placed for 10 hours in a thin-film evaporator at 200 ° C. and normal pressure in a distillate fraction which contained predominantly water (about 30 g / h) and a bottom product which contained predominantly the succinate separated. The bottom product was reacted as a melt with a feed temperature of about 120 ° C again in a thin-film evaporator this time at 250 ° C and 50 mbar (feed about 40 g / h). As distillate (about 13 g / h) was obtained predominantly succinimide with low levels of water and ammonia. The bottom product contained, besides succinimide, the impurities from the original diammonium succinate solution. Overall, about 65 g of succinimide were obtained, which were hydrogenated in an autoclave over 10 g of catalyst in the presence of 40 ml of 25% aqueous ammonia solution within 24 h. In the reaction product pyrrolidone was found by quantitative gas chromatographic analysis with 95% yield. In addition, there were about 2% succinimide, <0.1% gamma butyrolactone, 1% pyrrolidine and a variety, quantitatively insignificant products.

3.2 Umsetzung von Pyrrolidon zu NMP3.2 Reaction of pyrrolidone to NMP

In einem von außen beheizbarem Reaktor wurden an 55 g saurem Aluminiumoxid ca. 20 g/h einer 1 : 1 Mischung aus Pyrrolidon und Methanol (Verdampfung an einer 20 ml Glasringschüttung vor dem Katalysator) bei 300°C kontin. umgesetzt. Im Reaktionsaustrag wurden 48 % unumgesetztes Pyrrolidon und 23,3 % Methanol sowie 27 % NMP gefunden.In a reactor which can be heated from outside, about 20 g / h of a 1: 1 mixture of pyrrolidone and methanol (evaporation on a 20 ml glass ring bed in front of the catalyst) at 300 ° C. were applied to 55 g of acidic alumina. implemented. In the reaction, 48% unreacted pyrrolidone and 23.3% methanol and 27% NMP were found.

3.3 Umsetzung von Pyrrolidon zu NMP3.3 Reaction of pyrrolidone to NMP

Analog Beispiel 3.2 wurde statt saurem Aluminiumoxid, 56 g eines Katalysators bestehend aus 80 % Al2O3/20 % SiO2 verwendet. Bei 300°C wurden im Austrag 48,1 % Pyrrolidon, 34,2 % Methanol sowie 16,2 % NMP gefunden. Nach Temperaturerhöhung auf 350°C fanden sich im Austrag 18 % Pyrrolidon, 17 % Methanol sowie 61,3 % NMP.Analogously to Example 3.2, 56 g of a catalyst consisting of 80% Al 2 O 3 /20% SiO 2 was used instead of acidic aluminum oxide. At 300 ° C., 48.1% of pyrrolidone, 34.2% of methanol and 16.2% of NMP were found in the discharge. After temperature increase to 350 ° C were found in the discharge 18% pyrrolidone, 17% methanol and 61.3% NMP.

Claims (14)

  1. A process for preparing a compound II or a composition comprising said compound II
    Figure imgb0014
    the process comprising at least the following steps:
    (a) providing a fermentation broth comprising a compound I
    Figure imgb0015
    where R1 may be NH4 +, H or another cation and
    R2 may be NH4 +, H or another cation; and
    where at least R1 or R2 is NH4 +;
    (b) converting said compound I in said fermentation broth to said compound II;
    (c) simultaneously, intermittently or subsequently distillatively removing ammonia and/or water;
    (d) subsequently distilling the bottoms of the distillation of step (c) under reduced pressure to form a distillate comprising said compound II;
    (e) isolating said compound II or converting said distillate from step (d).
  2. The process according to claim 1, wherein said compound II is obtained in a composition further comprising at least
    Figure imgb0016
    where R3 may be H or another cation
    and/or
    Figure imgb0017
  3. A process for preparing a compound IIIa or a composition comprising said compound IIIa
    Figure imgb0018
    where R4 for compound IIIa is H; and where the process comprises the steps of the process according to claim 1 or 2, followed by:
    (f) reducing said compound II to said compound IIIa.
  4. A process for preparing a compound IIIb or a composition comprising said compounds IIIa and IIIb
    Figure imgb0019
    where R4 for said compound IIIa is H; and
    where R4 for said compound IIIb is branched or unbranched alkyl having from 1 to 20 carbon residues with from 0 to 1 OH or NH2 radicals;
    and where the process comprises the steps of the process according to claim 3, followed by:
    (g) completely or partially alkylating said compound IIIa to give said compound IIIb during or after step (f).
  5. The process according to claim 4, wherein pyrrolidone, hydroxyethylpyrrolidone and/or N-methylpyrrolidone (NMP) is prepared.
  6. The process according to any of claims 1 to 5, wherein said converting and distillation are performed in a continuous process under the following conditions:
    (i) optionally, removing the biomass and/or purifying said fermentation broth;
    (ii) optionally, concentrating said fermentation broth;
    (iii) distillatively removing the by-products and converting said compound I at a temperature of from 100 to 300°C;
    (iv) optionally, postreacting at 150 - approx. 300°C; and
    (v) distillatively removing said compound II or said compound II and said compound IIa and/or IIb at a temperature of from 150°C to 300°C and at standard pressure or at a pressure of from about 0.01 to about 1000 mbar.
  7. The process according to any of claims 1 to 5, wherein said converting and distillation are performed batchwise under the following conditions:
    (i) optionally, removing the biomass and/or purifying said fermentation broth;
    (ii) optionally, concentrating said fermentation broth;
    (iii) distillatively removing the by-products and converting said compound I at a temperature of from RT to 300°C;
    (iv) optionally, postreacting the distillate at from 150°C up to 300°C for less than 2 h; and
    (v) optionally, overdistillating the reaction mixture at standard pressure or reduced pressure and at from 150°C to 300°C.
  8. The process according to any of claims 1 to 7, wherein said fermentation broth, before the reaction of said compound I or before distillation of said compound II, has up to 50% of a bottoms diluent added to it.
  9. The process according to any of claims 4 to 7, wherein said reducing of said compound II to said compound III is a hydrogenation.
  10. The process according to any of claims 4 to 8, wherein said reducing is a gas phase or liquid phase hydrogenation which is performed under the following conditions:
    (i) at a temperature between 80°C and 330°C;
    (ii) with a homogeneous or heterogeneous catalyst suitable for the hydrogenation of carbonyl groups which comprises one or more elements of group 11, 6, 7, 8-10, 13, 14 or 15 of the Periodic Table of the Elements; and/or
    (iii) in the gas phase at a pressure between standard pressure and 130 bar or in the liquid phase at a pressure between 20 and 400 bar.
  11. The process according to any of claims 4 to 10, which comprises the following step:
    alkylating said compound IIIa with a branched or unbranched, saturated hydrocarbon having from 1 to 20 carbon residues and from 1 to 2 OH or NH2 radicals.
  12. The process according to claim 11, wherein said alkylating is performed in the gas phase under the following conditions:
    (i) at a temperature of from 50 to 600°C;
    (ii) at a pressure of from standard pressure to 100 bar;
    (iii) using the alkylating component in a stoichiometric or superstoichiometric amount; and
    (iv) using a basic, neutral or Lewis- or Brønsted-acidic oxide or interoxide or mixed oxide or a metal.
  13. The process according to claim 11, wherein said alkylating is performed in the liquid phase under the following conditions:
    (i) at a temperature of from 50 to 600°C;
    (ii) at a pressure of from standard pressure to 325 bar;
    (iii) using the alkylating component in a stoichiometric or superstoichiometric amount; and
    (iv) using a basic, neutral or Lewis- or Brønsted-acidic oxide or interoxide or mixed oxide or a metal.
  14. A composition comprising succinimide and polyalkylene glycols, silicone oils or paraffin oils.
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